WO2016202790A2 - Mems-wandler zum interagieren mit einem volumenstrom eines fluids und verfahren zum herstellen desselben - Google Patents

Mems-wandler zum interagieren mit einem volumenstrom eines fluids und verfahren zum herstellen desselben Download PDF

Info

Publication number
WO2016202790A2
WO2016202790A2 PCT/EP2016/063611 EP2016063611W WO2016202790A2 WO 2016202790 A2 WO2016202790 A2 WO 2016202790A2 EP 2016063611 W EP2016063611 W EP 2016063611W WO 2016202790 A2 WO2016202790 A2 WO 2016202790A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
mems
transducer
deformable
cavity
deformable element
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/063611
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2016202790A3 (de
Inventor
Harald Schenk
Holger Conrad
Matthieu Gaudet
Klaus Schimmanz
Sergiu Langa
Bert Kaiser
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority to JP2017565061A priority Critical patent/JP6668385B2/ja
Priority to EP16729884.3A priority patent/EP3308555B1/de
Priority to CN201680048446.9A priority patent/CN107925825B/zh
Priority to KR1020177036274A priority patent/KR102036429B1/ko
Priority to EP21168756.1A priority patent/EP3878804A1/de
Priority to EP21168755.3A priority patent/EP3878803A1/de
Priority to EP21168757.9A priority patent/EP3878801A1/de
Publication of WO2016202790A2 publication Critical patent/WO2016202790A2/de
Publication of WO2016202790A3 publication Critical patent/WO2016202790A3/de
Priority to US15/843,332 priority patent/US10457544B2/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/005—Electrostatic transducers using semiconductor materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • B81B3/0021—Transducers for transforming electrical into mechanical energy or vice versa
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00134—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems comprising flexible or deformable structures
    • B81C1/00182—Arrangements of deformable or non-deformable structures, e.g. membrane and cavity for use in a transducer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00134—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems comprising flexible or deformable structures
    • B81C1/00142—Bridges
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00134—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems comprising flexible or deformable structures
    • B81C1/0015—Cantilevers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00134—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems comprising flexible or deformable structures
    • B81C1/00158—Diaphragms, membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R15/00—Magnetostrictive transducers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R23/00—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00
    • H04R23/002—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00 using electrothermic-effect transducer
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R9/00—Transducers of moving-coil, moving-strip, or moving-wire type
    • H04R9/02—Details
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0257—Microphones or microspeakers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/03—Microengines and actuators
    • B81B2201/032—Bimorph and unimorph actuators, e.g. piezo and thermo
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/03—Microengines and actuators
    • B81B2201/036—Micropumps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/05—Microfluidics
    • B81B2201/054—Microvalves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0109—Bridges
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0118—Cantilevers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0127—Diaphragms, i.e. structures separating two media that can control the passage from one medium to another; Membranes, i.e. diaphragms with filtering function
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0136—Comb structures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0145—Flexible holders
    • B81B2203/0172—Flexible holders not provided for in B81B2203/0154 - B81B2203/0163
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/019—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement characterized by their profile
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/05—Type of movement
    • B81B2203/051—Translation according to an axis parallel to the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/02—Casings; Cabinets ; Supports therefor; Mountings therein
    • H04R1/023—Screens for loudspeakers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/08—Mouthpieces; Microphones; Attachments therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2201/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R1/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/003—Mems transducers or their use
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2499/00—Aspects covered by H04R or H04S not otherwise provided for in their subgroups
    • H04R2499/10—General applications
    • H04R2499/11—Transducers incorporated or for use in hand-held devices, e.g. mobile phones, PDA's, camera's

Definitions

  • MEMS converter for interacting with a volume flow of a fluid and procedural reo for making the same description
  • the present invention relates to a MEMS transducer for interacting with a volume flow of a fluid, such as a MEMS speaker, a MEMS microphone, or a MEMS pump.
  • the present invention further relates to a method of manufacturing a MEMS converter.
  • the present invention relates to a MEMS-based electroacoustic transducer.
  • MEMS microelectromechanical system
  • electroacoustic MEMS loudspeakers are currently being insignificantly commercialized.
  • MEMS loudspeakers consist of a diaphragm, which is deflected quasi-statically or resonantly by a selected physical action principle. The deflection depends linearly or non-linearly on the applied electrical signal (current or voltage).
  • the signal has a temporal variation, which is transmitted in a temporal variation of the diaphragm deflection.
  • the reciprocating motion of the membrane is transmitted in the form of sound in the surrounding fluid, for the sake of simplifying but not limiting air can be assumed in the following.
  • the actuation of the membrane occurs only in one direction.
  • the restoring force is then provided by the mechanical spring effect at membrane deflection.
  • the actuation takes place in both directions, so that the membrane can have a very low rigidity.
  • Electrostatically operated converters are based on the force which results between two planar electrodes covered with different electrical potential.
  • the arrangement corresponds to a plate capacitor, wherein one of the two plates is suspended movably.
  • the movable electrode is designed as a membrane to avoid an acoustic short circuit.
  • the membrane warps in the direction of the counterelectrode.
  • the membrane is operated in the so-called touch-mode.
  • the membrane touches the lower electrode, to which a thin insulator layer is applied to avoid a short circuit, as described for example in [2].
  • the bearing surface is determined by the size of the applied electrical voltage and thus varies in time according to the time course of this voltage.
  • the oscillation thus generated serves to generate sound.
  • the membrane in principle, in the classical electrostatic structure, the membrane can be attracted only in the direction of the electrode.
  • the restoring force can be determined at least in part by the rigidity of the membrane and must be sufficiently high in order to be able to transmit the higher frequencies in the area of auditory sound.
  • This loudspeaker uses a total of two such diaphragms suspended inside a cavity which, like a micropump, has an inlet and an outlet and is otherwise closed.
  • Piezoelectric powered converters use the inverse piezoelectric effect.
  • An applied electrical voltage leads to a mechanical stress in a solid.
  • MEMS technology typically materials such as PZT (lead zirconate titanate), AIN (aluminum nitride) or ZnO (zinc oxide) are used. These materials are usually applied as a functional layer on a membrane and structured so that the membrane depending on the electrical voltage applied to the functional layer, can be deflected or excited to vibrate.
  • a disadvantage of piezoelectric functional layers is the fact that the operation can not be hysteresis-free.
  • Electromagnetically operated transducers are based on the force effect that a soft magnetic material undergoes in a spatially variable magnetic field (gradient).
  • a permanent magnet and a coil is required in addition to the soft magnetic material, by means of which the local gradient of the magnetic field via current flow can be controlled in time.
  • the soft magnetic material is integrated, for example, in the membrane. All other components are provided in the assembly, as described for example in [4].
  • the structure is voluminous, complex and does not seem to be scalable for large quantities.
  • Electrodynamically operated converters make use of the Lorentz force. This method, which is very widespread in macroscopic loudspeakers, has also been used in some MEMS loudspeakers.
  • the magnetic field is generated by a permanent magnet.
  • a current-carrying coil is placed in the magnetic field.
  • the coil is integrated into the membrane by deposition and structuring of a metal layer and the permanent magnet is added in the assembly as an external component.
  • the complexity and limitations of integrating all components into MEMS technology are a similar drawback to electromagnetically driven transducers.
  • Magnetostrictively operated converters are based on a contraction or expansion of a functional layer when the magnetic field is applied.
  • vanadium permadur is positively magnetostrictive, that is, exhibits expansion when the magnetic field is applied. This contraction can be used with a suitable structure for generating a membrane vibration.
  • vanadium permendur Fe 4 9Co4 9 V 2
  • Si0 2 silicon dioxide
  • the external magnetic field is provided via a microflake coil, which has been realized by Gaivanically deposited copper.
  • Flexible membranes can also have higher modes in the field of audible sound and thus lead to parasitic vibrations, which lowers the acoustic quality (distortion factor), cf. [1]. To avoid or reduce this effect, therefore, plates are used which have a significantly higher rigidity. Such a plate is connected via a very soft suspension, which should also avoid the acoustic short circuit, connected to the chip, see [5].
  • the structure consists of several deflectable bending beams.
  • the arrangement for distances of the bars less than or equal to 3 pm can be regarded as acoustically closed.
  • electrostatically operated diaphragm loudspeakers known with regard to integration have relatively small deflections if moderate drive voltages are assumed.
  • the electrostatic diaphragm speaker of Kim et al. serve according to [3].
  • Each of the two membranes has an area of 2 x 2 mm 2 .
  • the upper and lower electrode is mounted.
  • the deflection due to the so-called pull-in effect is limited to typically 1/3 to 1/2 of the electrode spacing. If the higher value of 1/2 is assumed, the displacement is 7.5 pm / 2, once in one and then in the other. tung.
  • a general problem in the manufacture of miniaturized membrane loudspeakers is to achieve a flat progression of the sound pressure as a function of the frequency.
  • the achievable sound pressure is proportional to the radiation impedance and the velocity of the membrane.
  • the diameter of the membrane is comparable to the acoustic wavelength.
  • the radiation impedance is proportional to the frequency, cf. [6].
  • High-quality loudspeakers are often designed so that the resonance f 0 is below the audible sound range (for multi-way loudspeakers, the respective resonant frequency is below the lower edge frequency of the corresponding electric filter).
  • the velocity of the membrane is therefore proportional to 1 / f.
  • the expression p ⁇ * 1 then results for the frequency dependence of the sound pressure p.
  • a completely flat course of the sound pressure curve results.
  • the radiation impedance can be assumed to have a quadratic dependence on the frequency, as described in [7]. This is true for MEMS speakers with membranes in the order of millimeters. If f 0 is assumed as above, the dependency p ⁇ x f is obtained for the course of the switching pressure curve. Low frequencies are reproduced in relation to the high frequencies with too low sound pressure. In quasi-static operation, the membrane velocity is proportional to f. The result for the sound pressure curve is then the less favorable dependence p ⁇ xf 3 for low frequencies.
  • the object of the present invention is therefore to provide a MEMS converter and a method for producing the same, which can influence a volume flow of a fluid with a high efficiency and / or can be influenced by the volume flow with a high efficiency.
  • the core idea of the present invention is to have recognized that the above object can be achieved in that a volume flow of a fluid can be influenced particularly efficiently by means of an element which is deformable along a lateral direction of movement or the volume flow of such an element is particularly efficient can deflect.
  • the lateral direction of movement possibly perpendicular to a direction of the fluid flow, allows large areas of the deformable element, which can interact with the volume flow, with simultaneous small dimensions of a Chipoberfiamba, so that an overall efficient MEMS converter device with a high Efficiency is obtained.
  • a MEMS transducer for interacting with a flow of a fluid comprises a substrate having a cavity and an electromechanical transducer connected to the substrate and having a deformable element along a lateral direction of travel, wherein deformation of the deformable Elements along the lateral direction of movement and the volume flow of the fluid causally related. It is advantageous in this exemplary embodiment that a volume which is influenced by the deformable element or which influences the deformable element can be made large in a direction perpendicular to the lateral movement direction and / or perpendicular to a chip surface, at the same time obtaining small chip surfaces can be.
  • a MEMS loudspeaker has such a MEMS transducer and is configured to emit an acoustic sound wave or an ultrasonic wave.
  • a MEMS pump comprises a MEMS converter so that the fluid can be transported based on the volume flow.
  • a MEMS microphone comprises a MEMS transducer with a deformable element which is deformable along the lateral direction of movement.
  • a method of fabricating a MEMS transducer includes providing a substrate having a cavity, connecting an electromechanical transducer having a deformable element along a lateral direction of travel to the substrate. A deformation of the deformable element along the lateral direction of movement and the volume flow of the fluid are causally related.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a MEMS converter according to an embodiment
  • Fig. 2a is a schematic perspective view of a MEMS converter, a
  • Variety electromechanical transducer comprises, according to an embodiment
  • FIG. 2b is a schematic plan view of the MEMS converter of Fig. 2a according to a
  • FIG. 2c is a schematic perspective view of the MEMS transducer of FIG. 2a, in which the electromechanical transducers have a deformed state of a deformable element, according to one embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic perspective view of a deformable element embodied as a bimorph, according to an exemplary embodiment
  • 4a is a schematic perspective view of a deformable member having three bimorph structures, according to an embodiment
  • 4b shows a schematic perspective view of the deformable element according to FIG. 4a in a deflected state according to an embodiment
  • 4c is a schematic plan view of an arrangement of two deformable elements, which are arranged adjacent to each other according to an embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic plan view of a MEMS converter, in which the electromechanical converters have a different configuration compared with the MEMS converter from FIG. 2 a, according to one exemplary embodiment
  • FIG. 6a is a schematic plan view of an electromechanical transducer, are arranged in the just-formed spring elements between plate elements and deformable elements, according to an embodiment
  • Fig. 6b is a schematic plan view of an electromechanical transducer in which
  • Fig. 6c is a schematic plan view of an electromechanical transducer, in which the spring elements are arranged at an angle of more than 90 °, according to an embodiment
  • 6d shows a schematic plan view of an electromechanical converter, in which the substrate has a spring element adjacent to a deformable element, according to one exemplary embodiment
  • Fig. 6e is a schematic plan view of an electromechanical transducer in which
  • Plate elements have recesses, according to an embodiment
  • 7a is a schematic plan view of a deformable element which is connected to the plate element, according to an embodiment
  • Fig. 7b is a schematic plan view of a configuration in which the deformable
  • FIG. 7c is a schematic plan view of a configuration of the electromechanical transducer, in which the deformable elements have recesses in a central region, according to an embodiment
  • Fig. 7d is a schematic plan view of a configuration of the electromechanical
  • Transducer in which a first deformable element and a second deformable element are arranged parallel to each other; 8a shows a schematic perspective view of a MEMS converter, in which the deformable elements are connected alternately to the substrate or to an anchor element, according to an exemplary embodiment;
  • FIG. 8b shows a schematic plan view of the MEMS converter from FIG. 8a according to FIG.
  • FIG. 8 c is a schematic perspective view of the MEMS converter of FIG. 8 a in a deflected state according to an embodiment
  • FIG. 8 d shows a schematic plan view of the MEMS converter from FIG. 8 b in the illustrated state according to an embodiment
  • FIG. 8 c is a schematic perspective view of the MEMS converter of FIG. 8 a in a deflected state according to an embodiment
  • FIG. 8 d shows a schematic plan view of the MEMS converter from FIG. 8 b in the illustrated state according to an embodiment
  • FIG. 9 is a schematic perspective view of a stack having three MEMS transducers, according to one embodiment.
  • 1 1 a is a schematic plan view of a section of a MEMS converter, in which the electromechanical transducer is arranged obliquely with respect to a lateral direction of the substrate, according to an embodiment
  • FIG. 12b shows the EMS converter of FIG. 2a in a second state
  • 13 shows a schematic view of two deformable elements which are connected to one another along a lateral extension direction, according to an exemplary embodiment
  • 14 is a schematic view of a stack comprising two MEMS transducers connected to each other and having a common layer according to an embodiment
  • Fig. 15 is a schematic side sectional view of a deformable element, the two
  • FIG. 16 is a schematic plan view of a deformable member disposed adjacent to an electrode according to an embodiment
  • FIG. 17 is a schematic block diagram of a MEMS system according to an embodiment
  • FIG. 18 is a schematic plan view of a MEMS transducer according to an embodiment, which has a plurality of electromechanical transducers with cantilevered beam elements;
  • FIG. 19 is a schematic plan view of a MEMS converter according to an exemplary embodiment, which has a large number of electromechanical converters with beam elements clamped on both sides.
  • a MEMS transducer may include one or more electroactive components that cause a change in a mechanical component based on an applied electrical quantity (current, voltage, charge, or the like). This change may, for example, relate to a deformation, to a heating or to a tension of the mechanical component. Alternatively or additionally, a mechanical influence on the component, such as a deformation, a heating or a strain, can lead to an electrical signal or electrical information (voltage, current, charge or the like) that can be detected at electrical connections of the component. Some materials or components have a reciprocity, which means that the effects are mutually interchangeable.
  • piezoelectric materials may have the inverse piezoelectric effect (deformation based on an applied electrical signal) and the piezoelectric effect (providing electrical charge based on deformation).
  • Some of the embodiments described below relate to a deformable element of an electromechanical transducer being configured to interact with a volumetric flow of a fluid.
  • an interaction may include deformation of the deformable member caused by an electrical drive signal that results in movement, displacement, compression, or decompression of the fluid.
  • the volumetric flow of the fluid may deform the deformable element such that, based on the interaction between the volumetric flow and the deformable element, a presence, a characteristic (pressure, flow velocity or the like) or other information relating to the fluid (such as a temperature) can be obtained.
  • a deformation of the deformable element along the lateral direction of movement and the volume flow of the fluid are causally related.
  • MEMS can be made in silicon technology.
  • the electromechanical transducer may comprise the deformable element and other elements, such as electrodes and / or electrical connections.
  • the deformable element may be configured to deform (macroscopically) along a lateral direction of movement, ie, an element or area may be movable along the lateral direction of movement. At the element or area may, for example, be a bar end or a central area of a bar structure. Viewed microscopically, upon deformation of the deformable member along the lateral direction of movement, deformation of the deformable member perpendicular to the lateral direction of movement may occur. Embodiments described below relate to the macroscopic approach.
  • Embodiments may provide miniaturized silicon-fabricated loudspeakers, microphones and / or pumps which, based on their respective size, can produce as high a sound level as possible, the highest possible sensitivity and / or the highest possible flow rate of the fluid.
  • Embodiments of the present invention may be used to generate airborne sound, especially in the field of audiophile sound.
  • Embodiments thus relate to loudspeakers, in particular miniaturized loudspeakers, for example for hearing aids, headphones, headsets, mobile telephones or the like.
  • the mutual causal relationship between the volumetric flow and the deformation of the deformable element also makes it possible to use it in loudspeakers.
  • Embodiments thus relate to electroacoustic transducers.
  • the MEMS converter 10 is designed to interact with a volume flow 12 of a fluid.
  • the fluid may be a gas (such as air) and / or a liquid.
  • the fluid may be a medical solution, a drug, a chemical for a technical process, or the like.
  • the MEMS converter 10 has a substrate 14.
  • the substrate 14 may comprise any material.
  • the substrate 14 may comprise a wood material, a metal material and / or a semiconductor material, for example a silicon material.
  • the substrate 14 comprises a cavity 16.
  • the cavity 16 can be understood, for example, as a recess or as an at least partially enclosed volume of the substrate 14.
  • the fluid of the volume flow 12 can be arranged at least in some areas.
  • the MEMS converter 10 comprises an electromechanical transducer 18.
  • the electromechanical transducer 18 is connected to the substrate 14.
  • the electromechanical transducer 18 comprises a deformable element 22 which is deformable along a lateral movement direction 24.
  • applying an electrical signal to the electromechanical transducer 18 may result in the deformation of the deformable element 22 along the lateral direction of movement 24.
  • the volume flow 12 when it encounters the deformable element 22, may cause the deformable element 22 to perform the deformation so that an electrical signal from the electromechanical transducer 18 based on the volume flow 12 can be obtained , That is, the deformation of the deformable element 22 and the volume flow 12 are causally related.
  • the electromechanical transducer 18 may comprise or consist of at least one, approximately two, piezoelectric layer. Both layers can be deformed by electrical voltage.
  • the electromechanical transducer may comprise further elements, for example electrodes.
  • the substrate 14 may include one or more openings 26a-d through which the volume flow 12 may pass from an environment of the MEMS transducer 10 into the cavity 16 and / or out of the cavity 16 into an environment of the MEMS transducer 10.
  • a movement that the deformable element 22 performs during the deformation can be understood in terms of the substrate 14 as in the plane.
  • the volumetric flow 12 can emerge from the cavity 16 at least partially perpendicular to the direction of movement 24 or can enter it, as illustrated, for example, for the volumetric flow 12 through the opening 26c or 26d.
  • movement of the deformable element 22 in-plane may result in a volumetric flow 12 out-of-plane and vice versa. This means that the lateral direction of movement and / or the curvature of the deformable element can be in-plane relative to the substrate.
  • the openings 26 c and 26 d are arranged perpendicular to the lateral movement direction 24 in the substrate 14.
  • the deformation of the deformable element 22 along the lateral direction of movement 24 may result in a movement of at least a portion of the deformable element 22 towards the opening 26a, so that a partial cavity 28 is reduced based on the deformation.
  • a pressure of the fluid located in the subcavity 28 may be increased based thereon. Put simply, the fluid can be compressed. This can allow an outflow of the fluid from the Operakavtician 28 and the cavity 16.
  • the openings 26d and 26c the volume flow 12 can be obtained perpendicular to the lateral direction of movement 24.
  • a footprint of the ME S transducer 10 may be disposed in an x / y plane.
  • a large dimension of the MEMS transducer 10 along a z-direction that is perpendicular to the x-direction and / or the y-direction in space or a large dimension of the deformable element 22 along the z-direction may increase of the volumetric flow 12, while the base area of the MEMS converter 10 remains unchanged.
  • An enlargement of the partial cavity 28 can lead to a negative pressure of the fluid in the partial cavity 28, so that the volume flow flows into the cavity 28 or 16 based on the deformation of the deformable element 22 perpendicular to the lateral movement direction 24.
  • the deformable element may have an axial extent, for example along the y-direction, which has a value in a range of at least 1 pm and at most 100 mm, preferably at least 100 pm and at most 10 mm, and more preferably in a range of at least 500 pm and at most 5 mm.
  • the deformable element 22 may have an extent along the lateral movement direction 24, which has a value in a range of at least 0.1 pm and at most 1000 pm, preferably at least 1 pm and at most 100 pm, and particularly preferably in a range of at least 5 pm and at most 30 pm.
  • the deformable element may have an extension along a lateral direction, which is arranged perpendicular to the lateral movement direction, for example along the z-direction, which has a value in a range of at least 0.1 pm and at most 1000 pm, preferably at least 1 pm and at most 300 pm, and more preferably in a range of at least 10 pm and at most 100 pm.
  • Fig. 2a shows a schematic perspective view of a MEMS converter 20 comprising a plurality of electromechanical transducers 18a-f.
  • the electromechanical transducers 18a-f are connected to the substrate 14 and can each have a deformable element along the lateral movement direction 24, as described in connection with FIG.
  • the substrate 14 includes, for example, a first layer 32a, a first spacer layer 34a, an intermediate layer 36, a second spacer layer 34b, and a second layer 32b arranged on top of each other in that order.
  • one or more further layers may be arranged between two of the layers arranged as a succession.
  • at least one of the layers 32a, 32b, 34a, 34b and / or 36 is multilayered.
  • the electromechanical transducers 18a-f are designed and / or controlled such that they move partially toward one another and partly away from one another based on the volume flow 12 and / or based on a control.
  • the electromechanical transducers 18a and 18b are configured to move away from each other while the electromechanical transducers 18b and 18c move toward each other.
  • Partial cavities 38a-c are disposed between the electromechanical transducers 18a and 18b, 18c and 18d and 18e and 18f, and the subcavities 38a-c may increase based on the deformation of the electromechanical transducers 18a-f.
  • partial cavities 42a and 42b are arranged which can be reduced in size at the same time based on the movement or deformation.
  • the deformation or movement of the electromechanical transducers or deformable elements may be reversible, such that the volumes of the subcavities 38a, 38b and 38c decrease as volumes of the subcavities 42a and 42b increase.
  • a structured layer on the lower lid (first layer 32a), which partially or completely closes the chip on one side (for example but without limitation a lower side), a structured layer, the spacer layer 34a, may be arranged, for example as a spacer between the lower lid and the intermediate layer 36 arranged on the structured layer 34a can be used.
  • a structured spacer layer 34b On the structured layer 36, in turn, a structured spacer layer 34b may be arranged, which in its function as a spacer completely or partially corresponds to the spacer layer 34a and may have an identical or similar shape.
  • the ME S-Wandier 20 or its cavity can be partially or completely closed by the upper cover, the second layer 32b along the z-direction.
  • Electromechanical transducers 18b and 18c or 18d and 18e may be arranged in pairs in an x / y plane of the intermediate layer 36, wherein such an arrangement may repeat several times along a spatial direction, for example along the x direction.
  • the substrate may have a plurality of openings 26 which are connected to a plurality of partial cavities 38a-c and 42a-b, wherein, for example, in each case an opening 26 may be connected to a partial cavity 38a-c or 42a-b.
  • a volume of each subcavity 38a-c or 42a-b may be influenced by a deflection state of at least one element 22 that can be deformed along the lateral direction of movement 24. Adjacent sub-volumes may be complementarily complemented or reduced in size during a first or second time interval. In simple terms, a partial volume of a partial cavity 38a-c or 42a-b can be reduced, while an adjacent partial volume of a partial cavity 42a-b or 38a-c is increased.
  • bar structures 44 may be arranged.
  • the bar structures 44 may be arranged to allow passage of the volumetric flow 12 in one or two directions, whereas penetration or escape of particles into the cavity or out of the cavity is reduced or prevented.
  • one form of the layers 32a, 32b, 34a, 34b, and / or 36 may be affected during a manufacturing process by selectively removing and / or selectively disposing or growing layers.
  • the bar structures 44 may be formed from the layers 34a, 36 and / or 34b based on a selective etching process. Further, during the manufacturing process, a shape of the cavities 38a-c and 42a-b may be influenced.
  • walls of one or more layers 32a, 32b, 34a, 34b, and / or 36 may be adapted to movement of the deformable elements of the electromechanical transducers 8a-f, for example, an at least approximately constant and / or small distance between the deformable elements and the To enable substrate 14.
  • a cover 43 Adjacent or on the bar structures or Stabeiementen a cover 43 may be arranged.
  • the cover 43 may be disposed adjacent to the cavity 16 and / or separated therefrom by the rod members 44.
  • the cover may, for example, a flow material (mesh material), a foam material and / or a paper material include.
  • the cover may allow particles to enter the cavity 16 or exit the cavity 16 with a smaller diameter than a spacing between bar structures.
  • the cover 43 may also be disposed adjacent or at an opening 26 that does not have the bar elements 44. If a free end of the movable elements moves, for example in a curved path and / or a circular path, the substrate 14 may have a parallel or similar shape in a region in which the movable end moves.
  • the electromechanical transducers 18a-f may, for example, be frictionally or positively connected to the substrate 14 on elements 46a-c.
  • one or more deformable elements of the electromechanical transducers 18a-f may be formed integrally with the elements 46a-c.
  • the elements 46a-c may be disposed in a plane of the layer 36 or may be portions of the layer 36.
  • an extent of the deformable elements 22 of the electromechanical transducers 18a-f may be less than or equal to an extension of the layers 34a, 36, and 34b along the z-direction.
  • the deformable elements 22 of the electromechanical transducers 18a-f may be arranged and movable without contact with the layer 32a and / or 32b.
  • at least one deformable element can also be deformed by contact.
  • a low-friction, ie, having a low coefficient of friction, layer may be arranged between the at least one deformable element and an adjacent layer, such as the layer 32a and / or 32b.
  • the low-friction layer can enable a fluidic separation between partial cavities, as described, for example, for the wall structure 49.
  • a coefficient of friction may be 10%, 20%, or 50% less than a coefficient of friction of the layer 32a and / or 32b or the layer 34a and / or 34b.
  • a frictional force between the deformable element 22 and adjacent layers may be less than a force needed to deform the deformable element 22. Based on a reduced friction force, for example, a force to be provided by an actuator can be lower, so that the actuator can be made less powerful. Alternatively or additionally, a sensitivity of the deformable element 22 to the volume flow 12 can be increased.
  • the electromechanical transducers 18b and 18c form, for example, side walls of the subcavity 42a (chamber).
  • the movable members 22 of the electromechanical transducers 18a-f may be positively secured to the members 46a-c. Between a deflectable or movable end 52 of the deformable elements 22, a distance to the substrate 14 or to elements 48a-d of the substrate 14 may be arranged. The end 52 of the deformable element 52 can thus be arranged freely movable.
  • One or more deformable elements 22 may, due to dimensional relationship Ssen, about an extent along the x-direction in a ratio to an extent along the y-direction, simplifies a ratio beam width to beam height, particularly far along the lateral direction 24 to be deflected.
  • the electromechanical transducers 18a-f are designed, for example, as actuators, these actuators can be deflected, ie curved, upon application of a corresponding signal, so that, for example, the end 52 of the deformable element 22 moves on a curved path.
  • at least one of the elements 48a-d may be formed such that a distance between and the end 52 remains approximately constant and / or small even when the deformable element 22 is deflected.
  • the MEMS converter 20 may have at least one wall structure 49.
  • a movement of the actuators, electromechanical transducers 18a-e or deformable elements can result in a chamber 42a-b being fluid-mechanically coupled to the adjacent ones due to fluid flows caused by the movement to fill the chamber 38a-c Chambers can occur.
  • a fluid flow 57 may occur between the partial cavities 42a and 38b.
  • one or more partition walls (wall structures 49) which may possibly be immovable, may be arranged to separate adjacent chamber pairs 38 and 42.
  • the wall structures can be easily realized, for example, in the respective places as an element formed continuously from the layers 34a, 36 and 34b.
  • the wall structure 49 may also increase the mechanical stability of the MEMS transducer 20 and may facilitate bonding between the individual layers.
  • the at least one wall structure 49 may have openings or be designed to be completely continuous, which makes it possible to specifically modify attenuation arising from the inflow / outflow of the fluid from the chambers 38a-c and 42a-b, in particular for adjusting the width of the chambers Resonance curve or in general for adjusting the dynamic properties of the actuator chamber systems.
  • a volume of the cavity 16 and / or the plurality of partial cavities 38a-c and 42a-b may be influenced by the layers 32a and 32b and side regions 53a and 53b of the substrate 14 be determined.
  • the side portions 53a and 53b may be disposed between the layers 32a and 32b.
  • the deformable elements of the electromechanical transducers 18a-c can be made of be formed to at least in a portion 55 of the lateral movement direction 24 to perform a movement parallel to the first layer 32a and / or 32b. This means that the deformable element can deform or move between the layers 32a and 32b.
  • a resonant frequency of a cavity or partial cavity may be affected by a geometry of the volume, by a frequency of driving the electromechanical transducers and / or by a mechanical resonance frequency of the deformable element (s).
  • At least partially fluidly isolated (partial) cavities for example by means of a wall structure 49, an arrangement of a low-friction layer, or based on an arrangement in different EMS converters may have different resonance frequencies and / or be driven at different frequencies, such as by means of a control device. Based on different drive frequencies and / or different resonance frequencies, a multi-way speaker can be obtained.
  • Resonant frequencies of cavities are used, for example, in the area of cavity resonators or Helmholtz resonators.
  • Figure 2c shows a schematic perspective view of the MEMS transducer 20 in which the electromechanical transducers 18a-f have a deformed state of the deformable element.
  • the deformable elements are deflected to a maximum deflection.
  • a volume of the subcavity 42a is reduced based on the deformation (warp) of the deformable elements (beams). For example, if a thickness (dimension along the z-direction or thickness direction) of the layers 34a and 34b (spacers) is small, flow of the electromechanical transducers 18a-f or the deformable elements may be negligible with movement of the electromechanical transducers 18a-f.
  • a volume of the fluid for example an air volume which may correspond to the volume difference of the partial cavities 42a in FIGS. 2a and 2c, can be delivered to an environment of the MEMS converter 20, for example in the form of the fluid. idstrom (volume flow) 12.
  • a dimension of the spacer layer 34a or 34b along the z-direction, along which the first and second spacer layers 34a and 34b are disposed on the intermediate layer 36 may have a value in a range of at least 1 nm and at most 1 mm, preferably. kart in a range of at least 20 nm and at most 100 ⁇ or more preferably in a range of at least 50 nm and at most 1 pm.
  • an amount of the fluid stream 57 that drives the electromechanical transducer 18a-f from a first side to a second side e.g.
  • the flow stream 57 may be based, for example, based on at least partial removal of the spacer layers 34a and / or 34b in a region in which the electromechanical transducer 18a-f is moving. In simple terms, based on the distance between the electromechanical transducer and adjacent layers, fluid flow around movable elements may result (fluidic losses). These may be low compared to the fluid stream 12. For example, they may be less than the volume flow rate divided by the value 10, divided by the value 15, or divided by the value 20.
  • the electromechanical transducers can move in pairs towards and away from each other.
  • the electromechanical transducers 18a and 18b can move away from each other in pairs relative to the state in FIG. 2b and move in pairs to one another in a subsequent time interval.
  • the electromechanical transducers 18b and 18c may move in pairs toward or away from each other.
  • Such a pairwise complementary movement of electromechanical transducers which is possible even when the transducers are not arranged adjacent to one another, can result in an at least partial but also complete compensation of inertial forces, so that a small amount of vibration or no vibrations is obtained in the ME S-converter or is transmitted from the MEMS converter to the environment.
  • the fluid flow 12 may, for example, pass through the opening 26a and / or 26b.
  • the openings 26a and 26b may be formed gieich or adapted to a geometry of the adjacent Operakavtician 38a and 42a.
  • the opening 26a may have a variable cross-section along an axial direction (such as the y-direction), such as a dimension along the x-direction.
  • the dimension of the opening 26b along the x-direction may decrease in a direction toward an interior of the MEMS transducer 20, ie towards the cavity or sub-cavity 42a.
  • the opening 26 along a further direction, such as a z-direction (thickness direction) perpendicular to the axial direction y have a variable dimension or a variable cross-section.
  • the variable cross-section may decrease from an outside of the MEMS transducer 20 in a direction toward the cavity 16.
  • a tapered cross-section or diminutive dimension of the opening 26 from the exterior of the MEMS transducer 20 toward the cavity 16 along one or more directions x and / or z may be referred to as a funnel-shaped opening.
  • the optionally funnel-shaped opening 26b can be used as a device for impedance matching.
  • An impedance matching may be advantageous, for example, when using the MEMS converter 20 as a loudspeaker.
  • An embodiment or geometry of the opening 26b may be carried out analogously to macroscopic speakers with dimensions of several centimeters.
  • a shape of the opening 26b may allow the actual sound radiation to be defined by the outer surface of the funnel.
  • the opening 26b may, for example, be formed continuously in the structured layers 34a, 36 and 34b.
  • a bar grating 54 which comprises at least one bar element 44, may have openings or gaps between bar elements 44 and / or between bar elements 44 and the adjacent substrate. The gaps may be formed so that the fluid can flow through them.
  • the bar grating 54 may provide protection against particle penetration into the cavity of the MEMS transducer 20.
  • a width of the openings of the bar grating 54 ie a distance between bar elements 44, can be designed such that the fluid flow 12 is fluidically influenced to a desired degree or is unaffected.
  • the distance between the rod elements 44 may be smaller than the smallest gap distances in the MEMS converter 20, so that the rod grid can filter a large number of or even all relevant particles.
  • a gap distance may, for example, be a distance of a deformable element 18a-c to a layer 32a or 32b. write.
  • the distance between the rod elements 44 may for example be less than 5 pm, than 1 pm, than 0.1 pm or 0.05 pm.
  • Rod elements 44 along the spatial directions can be implemented in such a way that the rod elements 44 do not produce any resonances in the area of the audible sound, i. H. in a frequency range of at least 16 Hz and at most 22 KHz.
  • the rod members 44 are illustrated as being disposed on an outer side of the MEMS transducer 20, such as in a region where the opening 26a or 26b has a maximum dimension along the x direction, one or more rod members may also be attached another location of the opening 26a or 26b, for example in a tapered region of the opening 26a or 26b.
  • the volume of a sectionkavitat 42 a can be reduced.
  • a volume of the chamber (partial cavity) 38a may increase.
  • the Operakavitat 38a may be in the same or similar to the Operakavitat 42a via a funnel-shaped opening 26b and / or a bar grating 54 comprising one or more rod elements 44 connected to the environment of the MEMS converter 20.
  • Electromechanical transducers 18a-f may be configured to be driven at a frequency different from each other or to have a resonance frequency different from each other.
  • a volume of each subcavitate may change at a different frequency or at least partially equal frequencies.
  • the opening 26a and the opening 26b may be disposed on or in opposite sides of the MEMS converter 20 in space.
  • the fluid stream can be ejected 12 or sucked in on one side, which has the opening 26a or 26b, by means of the partial cavities 42a or 38a or a plurality of such partial cavities.
  • This means that the fluid flow 12 can be generated in opposite directions.
  • the volume flow 12 can be expelled from the opening 26a in a negative y-direction and sucked into the partial cavity 38a.
  • these directions can be reversed.
  • a current short circuit along the MEMS converter 20 can thus be prevented or excluded.
  • the deformable elements (beams) of the electromechanical transducers 8a-f may be configured to warp in accordance with an externally applied signal.
  • a frequency with which the curvature takes place can be a frequency with which the volume flow 12 is generated and / or oscillates and thus influence or determine a sound frequency.
  • An amplitude of the oscillation determined via the supplied signal can influence or determine an amplitude of the volume flow 12 at one or more (resonance frequencies) and consequently have an effect on the sound level.
  • At least one chamber act as a sensory element and another chamber act as an actuator element.
  • the E S converter can comprise at least one sensory and at least one actuatoric deformable element. The movement of the bars is detected and evaluated.
  • the electromechanical transducers 18a and 18b can be actuated as actuators, while the electromechanical transducers 18c and / or 18d can be used as sensors for detection within the fluid.
  • electrostatic (capacitive) piezoelectric or piezoresistive sensor elements can be integrated.
  • Such an element can be used as a microphone or pressure sensor.
  • Such an integrated microphone or such a pressure sensor can also be used for controlling and controlling the properties of the loudspeaker chambers (actuators) or ultrasound transmitter chamber or pump chamber.
  • appropriate electronics must be used as the control circuit / control circuit.
  • the MEMS converter 20 has been described as having an undeflected state with undetachable deformable elements, the states may also be mutually interchangeable. That is, in a first, unactuated state, the deformable elements may be deformed or curved and may deform to a less curved, more curved, or even state based on a drive signal.
  • an electrical signal is applied to the MEMS converter 20, such as from a control device
  • the volumetric flow 12 may also lead to deformation of the deformable elements, wherein the deformation is obtained by means of an electrical signal at the MEMS converter 20 can be, that is, the MEMS converter 20 is also configurable as a sensor.
  • Fig. 3 shows a schematic perspective view of a deformable element 30, which is designed as a bimorph.
  • the deformable element 30 has a first layer 56 and a second layer 58, which are at least in places, advantageously over the entire surface, firmly connected to each other.
  • the first layer 56 and the second layer 58 are designed to deform differently, for example to expand or contract, based on a mechanical, physical or chemical influence.
  • layers 56 and 58 may have different thermal expansion coefficients from each other.
  • the layer 56 or layer 58 may be configured to expand or contract based on an electrical signal applied to the corresponding layer.
  • this layer may comprise piezoelectric materials.
  • the actuation direction can be arranged parallel to the lateral movement direction 24.
  • the actuation direction may be a direction along which the deformable element 30 is deflectable by applying a positive electrical voltage.
  • the deformable member 30 may be formed to curl with its beam structure along an axial direction (such as the y-direction) of the beam structure. This can be done based on a back-and-forth motion, ie along the lateral direction of movement 24 and along an opposite direction.
  • the bimorph can correspond to a bar consisting of two layers.
  • the layers are arranged, for example, in one direction (for example vertically) to each other.
  • a passive layer eg, layer 56
  • an active layer eg, layer 58.
  • a direction of change in length of the layer 58 may be selected so that the bimorph bends laterally in one (contraction) or other (expansion) direction.
  • FIG. 4a shows a schematic perspective view of a deformable element 40, which has three bimorph structures 30a-c, as described in connection with FIG.
  • a schematic arrangement of the deformable element 40 in space along the x, y, and z directions is illustrated by way of example (but not limitation) as the deformable element 40 may be disposed in the MEMS transducer 10 or 20, for example.
  • the deformable (sub) elements 30a-c may have different dimensions from one another, for example along the x, -y or z-direction.
  • the deformable elements 30a and 30c may have an equal extent along the y-direction.
  • the actuation directions 59a-c of the deformable elements 30a-c may, for example, be arranged alternating or having a mutual orientation, for example in the positive / negative / positive x direction. In a simplified manner, this can be understood that the deformable elements 30a and 30c have an equal length.
  • the deformable member 30b may have a different length. For example, a length of the deformable element 30b may be twice as long as the comparable length of the element 30a or 30c. Between the deformable elements 30a-c further elements may be arranged according to further embodiments, for example spring elements.
  • a direction along which the deformable elements 30a-c deflect upon application of an equal or comparable magnitude may be alternating along the length of the deformable element 40. This allows an alternating curvature course.
  • the deformable member 40 is illustrated as comprising three deformable members 30a-c, two deformable members or more than three deformable members 30 may be disposed.
  • FIG. 4b shows a schematic perspective view of the deformable element 40 in a deflected state.
  • the layers 58a-c are, for example, contracted so that a multiple curvature results along an axial course (y-direction).
  • three bins shown in Fig. 3 may be arranged adjacent to each other in the direction of their extension. This can be done so that a first bar and a third beam (30a and 30c) with a corresponding signal, a curvature in a first direction and the second beam (30b) has a curvature in the other direction.
  • an actuator can be obtained which, starting from its elongated shape, as shown in Fig. 4a, without applied signal S-like deformed with a corresponding signal, as shown in Fig. 4b.
  • the deformable elements 30 may include a lead or bias that results in a reduced curvature or straight extension of the deformable member 30 and / or 40 based on the applied signal.
  • the bends of the individual beams 30a-c are identical except for the sign, and a length of the first and third beams 30a and 30c corresponds to approximately one quarter of an overall length of the deformable element and wherein a length of the middle beam 30b in about one half of the length of the deformable element 40 corresponds.
  • 4c shows a schematic plan view of an arrangement of two deformable elements 40a and 40b clamped on both sides, which are arranged adjacent to one another, so that the partial cavity 38 is arranged between the deformable elements.
  • the solid lines show, for example, an actuated state of the deformable elements 40a and 40b while the dashed lines show an unactuated state, this description of the deformable elements being mutually interchangeable, since the unaktuator state can take any form through the production.
  • the deformable elements 40a and 40b may be formed to have a curvature in the unactuated state. Further, the deformable members 40a and 40b may be formed of three segments 30a-1 to 30c-1 and 30a-2 to 30c-2, respectively, which perform mutual curvature during the actuation. Each segment, such as the middle segment 30b-a or 30b-2 may also be formed of two or more segments. Compared with the representations of FIGS. 4a and 4b, the segments 30a-1, 30b-1 and 30c may have a different length from each other and with each other segment. The length may be adaptable to a desired shape to be obtained upon actuation.
  • the S-shaped actuators have the great advantage that not only a large planar filling factor can be achieved with them, but they can also be clamped on two sides. Due to the double-sided clamping, a technically unavoidable deflection of the beams due to stress gradients is significantly reduced. So that can Distances to the lower and upper lid of the substrate are kept very low, which reduces the flow / pressure losses disproportionately and thus not only significantly increases the efficiency of speakers, ultrasonic transducers, microphones and pumps, but their proper functioning may only possible. According to further exemplary embodiments, only one of the deformable elements 40 may also be arranged, for example in the MEMS converter 10.
  • FIG. 5 shows a schematic plan view of a MEMS converter 50, in which the electromechanical converters 18a-c have a changed configuration compared to the MEMS converter 20.
  • the electromechanical transducers 18a-c each include first and second deformable members 22a and 22b, 22c and 22d and 22e and 22f, respectively.
  • the deformable elements are arranged opposite one another. Deflectable ends of the beam elements are arranged facing each other. Areas at which the deformable elements 22a-f are connected to the substrate are disposed facing away from each other.
  • the electromechanical transducers 18a-c each include a plate member 62a-c connected to the respective deformable members 22a and 22b, 22c and 22d and 22e and 22f, respectively.
  • the respective plate member 62a-c may be connected to the deflectable ends of the respective deformable members 22a-f.
  • the deformable elements 22a-f may be wholly or partially designed as a deformable element 30 or 40 or have a different configuration. Different hatching of the deformable elements 22a and 22b, 22c and 22d and 22e and 22f indicate that the deformation of the respective deformable element is different from each other.
  • the deformable elements of an electromechanical transducer 18a-c may be arranged to perform a deflection of the deflectable ends along a same spatial direction, independently of a respective embodiment of the deformable element 22a-f.
  • a drive may cause the deflectable ends of the deformable elements 22a and 22b to be made along a positive x-direction.
  • an activation of the deformable elements 22c and 22d can cause a deflection of the respective deflectable ends along a negative x-direction.
  • This enables the plate elements 62a and 62b to be formed during this activation. to move closer, so that the Teiikavtician 42 a is reduced based on the movement of the Platteneiemente.
  • a negative pressure in the chamber 42a may cause the plate members 62a and 62b to move toward each other, so that a deformation of the deformable elements 22a-d is obtained.
  • one or more deformable elements 22a-d are made electrically passive.
  • an electrical potential may be responsive to one or more plate members 62a-c so that an attractive or repulsive force between the plate members 62a and 62b, which is a movement of the plate members, may be obtained based on an electrical potential of the plate members 62a and 62b 62a and 62b and thus causes deformation of the deformable elements 22a-d.
  • the deformable elements 22c-f and / or the plate elements 62b and 62c can be activated in order to obtain a deformation of the deformable elements 22c-f and a change in the volume of the partial cavity 38a.
  • Fig. 5 shows a variant of the configuration shown in Figs. 2a-c, in which four bending beams 22a-d and 22c-f are used for the narrowing or widening of each chamber (cavities 42a and 38a). In connection with FIGS. 2a-c, this is described based on in each case two bending beams (deformable elements).
  • Fig. 5 shows a non-actuated state. The actuated and non-actuated states are mutually exchangeable.
  • any controllable deformable element can be deformed when the signal is not present and its signal-dependent change its deformation, including the achievement of a stretched (undeflected) state is a special case.
  • a bending beam such as the deformable elements 22a and 22b and 22c and 22d, respectively, may be connected to each other via a bendable web comprising the elements 64a and 64b.
  • a relatively stiff extension such as the element 66
  • the plate member 62b may be arranged, which is designed to be stiff or stiff as possible.
  • the plate members 62a-c may move toward or away from each other in parallel to reduce or increase volumes of sub-cavities.
  • the parallel movement of the plate members may allow the volume of the partial cavity 42a to be, in the limit, nuli, that is, the plate members 62a and 62b are in contact.
  • such an arrangement may provide a volume flow of the fluid that is significantly higher than the volume flow of the MEMS transducer 20.
  • the volume of the subcavity 42a As the volume of the subcavity 42a is reduced, the volume of the subcavity 38b may be increased accordingly or at least based thereon become.
  • the supply of the fluid, as described in connection with the MEMS converter 20, can take place through an opening 26a, 26b or 26c.
  • the elements 64a and 64b may also be referred to as spring elements.
  • the deformable elements (bending beams) 22a and 22b may be designed to warp to the right (positive x direction) when the signal is applied.
  • Deformable elements 22c and 22d may be designed to skew to the left when the signal is applied (negative x-direction).
  • Both types of bars hatch of the deformable elements
  • Both types of bars may be designed so that they bend, for example, in a first signal as in connection with Figs. 3 or 4 and warp in the opposite direction at a second signal. In this case, both the narrowing and the expansion of the chamber (partial cavity) to the original size can be achieved independently of the mechanical restoring force due to the bending of the beams.
  • the first and second signals may be, for example, a positive and a negative electrical voltage.
  • the layers 56 and 58 can also be active layers or a further active layer can be arranged on the layer 56 on a side facing away from the layer 58, the two active layers being addressed separately from one another can to get a deflection in one direction or the other.
  • a volume between two opposing deformable members, such as the deformable members 22c and 22d and the plate member 62b joined thereto, may also change upon movement or deformation of the flexures.
  • the plate member 62 may be rigid.
  • the deformable members 22c and / or 22d and / or connecting members 64 and 66 connecting the plate member 62b to the deformable members 22c and 22d may be locally thinned or thinned to provide a local flow channel. This can be done, for example, by additional structuring or etching.
  • the connecting elements 64a, 64b and 66 may be arranged in a T-arrangement.
  • the connecting element 66 may have a high rigidity compared to the elements 64a and 64b.
  • FIGS. 6a-e in which the plate element 62a or 62b is connected to respective opposing deformable elements 22a and 22b or 22c and 22d.
  • FIG. 6a shows a schematic plan view of a configuration in which spring elements 68 that have just been formed are arranged between the plate element 62a or 62b and the deformable elements 22a and 22b or 22c and 22d.
  • the spring elements 68 may be formed from a material of the deformable elements 22a-d or a material of the plate elements 62a or 62b and / or be formed integrally with one or more of these elements.
  • the spring members 68 may be at right angles to the plate members 62a or 62b.
  • Fig. 6b shows an alternative configuration in which spring elements 68 'of deflectable ends of the deformable elements are arranged at an angle ⁇ of less than 90 °, for example 30 or 40 °. This allows for a greater spacing of the contact points on the plate member 62a as compared to the configuration of Figure 6a, which may result in reduced deflection of the plate member 62a during movement.
  • FIG. 6c shows a configuration in which the spring elements 62a are arranged at an angle ⁇ of more than 90 °. This can, for example, lead to reduced restoring forces of the spring elements 68, if the configuration, as shown in FIG. 6a, is used comparatively.
  • FIG. 6 d shows a configuration in which the configuration from FIG. 6 a is modified such that in regions of the substrate 14 adjacent to which the electromechanical transducer 18 a is arranged or the respective deformable element is connected to the substrate 14, a spring element 72a or 72b is arranged.
  • the spring element 72a and / or 72b may be at least partially determined, for example, by a recess (cavity) 74a or 74b in the substrate 14. This means that, for example, through the recesses 74a or 74b, a rigidity of the substrate 14 can be locally reduced, so that the spring elements 72a and 72b are formed.
  • recesses 74a and 74b are shown extending beyond adjacent deformable elements 22a and 22c, 22b and 22d in substrate 14, protrusion 74a or 74b may also be adjacent to, or adjacent to, a deformable element be arranged a plurality of deformable elements.
  • the substrate 14 may also have a plurality of recesses or spring elements.
  • Fig. 6d shows a configuration in which a further structure in the form of a spiral spring (spring elements 72a and 72b) to which the deformable elements (beams) are attached, can lead to a further reduction of the tensile stress.
  • flexural spring elements may for example also be integrated in the rigid plate, as shown in the configuration of FIG. 6e and described in connection with the recesses 76a-d. These elements can deform S-shaped in the case of deflection of the beams and reduce the tensile load on the rigid plate.
  • FIG. 6e shows a configuration of electromechanical transducers 18a and 18b in which the plate members 62a and 62b have recesses 76a-d adjacent a region where the.
  • FIG. 6d is compared with the configuration described in connection with FIG Plate elements 62a and 62b are connected via the spring elements 68 with the deformable elements.
  • a distance between the recesses 76a-d and a deformable elements facing side of the plate members 62a and 62b, respectively, can influence a rigidity of the plate member 62a or 62b in this area.
  • the recesses 76a-d allow for reduced restoring forces acting on the deformable elements 22a-d.
  • FIGS. 6a-e show variants for an embodiment of the movable elements or the electromechanical converters. These differ from an embodiment, as described in connection with FIG. 5, for example o- in particular in that the elements 64a or 64b shown in FIG. 5 have been fused to the stiffening 66 towards the spring elements 68.
  • the configuration according to FIG. 6a can have a higher rigidity against parasitic tilting of the plate elements 62a or 62b about an axis perpendicular to the plane of the drawing (x / y plane).
  • the member 64a and 64b, respectively may be under tension at deflection of the beams, which increases in increasing mechanical resistance with increasing deflection the beam deflection of the deformable elements may result.
  • the mechanical connection of the two deformable elements can be made significantly softer (less rigid), since the respectively connecting spring elements 68 can react with a bending, which with a corresponding design of these elements has a significantly lower mechanical resistance can represent.
  • the connecting elements / springs 68 and / or the elements / springs 64a-b described in connection with FIG. 5 may also have a curved or meandering shape. This allows for increased flexibility in a preferred direction.
  • the configurations as described in connection with FIGS. 6d and 6e allow a reduction in the tensile load which would lead to an effective stiffening of the deformable element.
  • the configurations described in FIGS. 6a-e neglect inlet and outlet openings 26. If these openings are arranged, recesses or spring elements in the substrate in regions in which the opening is arranged can be dispensed with.
  • one, several or each of the spring elements 72a, 72b obtained by at least one recess and / or in the plate elements 62a or 62b may be realized based on two or more separate and independent spring elements.
  • FIGS. 7a-c described below describe examples of possible arrangements of deformable elements and plate elements.
  • FIG. 7 a shows the deformable element 40 which is connected to the plate element 62.
  • the plate element 62 may for example be arranged directly on the deformable element 40.
  • FIG. 7 b shows a configuration in which the deformable element 40 a is firmly clamped between the substrate 14 and is formed to deform along the lateral direction 24. Between the deformable element 40 and the plate element 62, two further deformable elements 40b and 40c are arranged, the ends of which can be connected to one another. Based on the connections, the deformable elements 40b and 40c may be aligned with each other such that a bulge of the respective deformable element 40b or 40c faces away from the other deformable element.
  • the deformable elements 40a-c can, for example, be actuated jointly or react together to the volumetric flow of the fluid, wherein, for example, joint control of the deformable elements 40a-c increases the travel, ie, enlarges the path around which the plate element 62 is deflected lead.
  • joint control of the deformable elements 40a-c increases the travel, ie, enlarges the path around which the plate element 62 is deflected lead.
  • at least one further deformable element can be arranged, which is designed to increase a travel of the deformable element in the case of a common control with the deformable element.
  • FIG. 7c shows a configuration of the electromechanical transducer 18, in which the deformable elements 40a-c have recesses 70a or 70b in a middle region, which fluidically couples a volume 82 between the deformable elements 40b and 40c to a further partial cavity, for example enable the Operakavmaschine 38a.
  • the deformable elements 40a, 40b and / or 40c may each be made in two parts to provide the recesses 78a and 78b.
  • the recesses 78a and 78b may be embodied as recesses which are enclosed along a thickness direction (z direction) by further material of the deformable elements 40a, 40b or 40c.
  • FIG. 7a shows a S-shaped bending beam actuator configuration according to Fig. 4, in which a connection to the bending beam is arranged in the center of the rigid plate.
  • the bending actuators can be arranged several times in series (serially).
  • FIGS. 7b and 7c show diagrammatically an arrangement of three serially connected S-actuators.
  • two S-actuators (deformable elements 40) or more than three actuators can be connected in series.
  • the hatchings of the deformable elements in FIGS. 7a-c are shown, for example, in accordance with the hatching as selected in FIG.
  • Mutually different hatchings may mean a mutually different direction of curvature of the respective sections.
  • FIG. 7c shows a configuration on, which has an opening in the middle of the S-shaped actuators (recesses 78a and 78b), which allows for improved ventilation of the intermediate space (cavity 82).
  • Fig. 7d shows a configuration of the electromechanical transducer in which a first deformable element 40a and a second deformable element 40b are arranged along the y-direction parallel to each other. This allows an increase in the force with which the plate member 62 is deflected. Ends of the deformable elements may be connected to each other or disposed together on the substrate. Alternatively, two or more deformable elements 40a and 40b may also be arranged parallel along another direction, for example along the z-direction (thickness direction). Alternatively or additionally, a series connection and a parallel connection of deformable elements can also be combined.
  • Movable elements can hit another moving element or element at high or high deflection. This can lead to sticking.
  • the movable elements or the fixed elements can preferably be provided with spacer elements (bollards), which make it possible to significantly reduce the contact area and thus to reduce or avoid sticking. Instead of so-called bollards, small structures designed as spring elements can also be arranged. In addition to preventing sticking, the impulse can be reversed when two elements strike, which can reduce or avoid energy losses or improve the dynamic behavior of the actuators.
  • FIG 8a shows a schematic perspective view of a MEMS converter 80, in which the deformable elements are connected alternately to the substrate or the intermediate layer 36 or to an anchor element 84 which is connected to the substrate.
  • the deformable element 22a in the regions 46 and 48 of the intermediate layer 36 is fixedly connected at its ends to the substrate and designed to perform an S-shaped movement, as exemplified in connection with the deformable element 40.
  • the adjacently disposed deformable element 22b is connected to the anchor element 84.
  • the anchor member 84 is disposed in a center portion of the deformable member 22b, and may be connected to the spacer layer 34a or the layer 32a with the same. This means that the substrate can have an anchor element.
  • FIG. 8b shows a schematic plan view of the MEMS converter 80, wherein the spacer layer 34b and the layer 32b are not shown by way of example.
  • the MEMS 80 includes the rod members 44 in areas of the openings 26.
  • the areas 48 may include the spring members 72a-c.
  • the regions 48 are shown by way of example as a plan view of the intermediate layer 36.
  • the anchor member 84 may be integrally molded with the deformable member 22b and / or a layer of the substrate. However, as shown in FIG. 8, the anchor member 84 may extend beyond the deformable member 22b along the z-direction to interconnect the layers 32a and 32b. This allows a reduced susceptibility to vibration of the layers 32a and 32b.
  • the anchor element 84 may also be formed from another piece and / or from a different material, such as the mechanically deformable element 22b.
  • the deformable element 22a arranged adjacently thereto is, for example, firmly bonded on both sides to the substrate in the regions 48 or 46, for example by positive or non-positive engagement.
  • a distance 85 between rod elements 44 may be, for example, less than 1 ⁇ , as 0.1 pm or 0.05 ⁇ .
  • the anchor member 84 may be disposed in a central region of the deformable member 22b.
  • the middle region may, for example, comprise a geometric center of gravity of the deformable element.
  • the middle region can be, for example, the bar segment 30b of the deformable element 40.
  • FIG. 8c shows a schematic perspective view of the MEMS converter 80 in a deflected state.
  • Outer portions of the deformable member 22b may have moved in a direction toward the deformable member 22a with locations of the outer ends of the deformable member 22a remaining substantially unchanged.
  • a center portion of the deformable member 22a may have moved in a direction of the deformable member 22b with a location of the center portion of the deformable member 22b remaining substantially unchanged based on the anchor member 84.
  • FIG. 8d shows a schematic plan view of the MEMS converter 80 in the deflected state, as described in FIG. 8c.
  • the volume of the cavity 42 is reduced compared to the view of FIG. 8b, whereas a volume of the cavity portion 38 is increased.
  • the spring element 72a may lead to a reduced introduction of force into the deformable element 22a, but may not be arranged. Between the beam structures of the first electromechanical transducer and the second electromechanical transducer or between the actuators 22a and 22b may be arranged a first Operakavmaschine 42, which is adjacent to an opening 26 of the substrate.
  • FIGS. 8a and 8b show a schematic 3D representation or a plan view of a variant in which a chip area of the MEMS converter can be exploited very efficiently.
  • exclusively or predominantly bending reactors can be used, i. H. on the additional rigid plate element can be omitted.
  • the chamber 42 is bounded by two undeflected S-actuators 22a and 22b, as illustrated in FIG. 8a.
  • the left (negative x-direction) limiting S-actuator 22a may be connected with its two ends in the drawing above or below (ie along the positive or negative y-direction) with the rest of the component.
  • the right limiting S-actuator 22b may be attached to a post (anchor member) 84.
  • the two ends of this S-actuator can be freely movable.
  • the post 84 may be fixedly connected to the upper and lower covers 32a and 32b, respectively.
  • both actuators bend S-shaped.
  • the spring element 72a which is concealed in FIG. 8a and is influenced by a recess, can serve for strain relief.
  • the spring element is arranged in the drawing plane of FIG. 8 b along the lateral movement direction 24 in the element 48, so that the spring element 72 a is firmly clamped along the lateral movement direction 24.
  • the spring element 72a as shown for example in Fig.
  • the spacer layers 34a and 34b have a fixed connection thereto and also be clamped.
  • the layers 34a and 34b may also be patterned such that the spring element 72a has no contact with the spacer layer 34a and / or 34b and thus may have a higher compliance.
  • the bulbous bulges of the S-actuator 22a may be moved toward the post 84 so that the center of the S-actuator 22a almost contacts the center of the S-actuator 22b.
  • the free ends of the S-actuator 22b have moved in the direction of the fixed clamping of the S-actuator 22a, so that these also almost touch each other.
  • the aktuATOR form of the two S-actuators can be approximately the same or identical, so that the chamber 42 can close practically or almost completely with sufficient deflection of the actuators.
  • the original volume of the chamber 42 can thus be used completely for the generation of the volume flow or for its detection.
  • the chamber 38 can gain in volume, which can be prevented with appropriate dimensioning of the flow-influencing elements that too high a dynamic effects occurring pressure difference between the chambers 38 and 42, the movement affected the actuators.
  • the elements 46 and 48 may be configured such that the distance to the free ends of the actuators 22b remains small and / or approximately constant independent of the deflection of the ends.
  • bending spring elements 72a may be arranged.
  • Previously described embodiments may include further actuators which are arranged in emerging flow channels.
  • the further actuators can, for example, not serve for the direct generation of sound, as, for example, the electromechanical converters 18 can enable, but can be used for the variable adjustment of the flow characteristics.
  • the attenuation, and thus the width of the resonance curve can be adapted individually and flexibly for each chamber during operation of the component (MEMS converter).
  • the volume change per active area (AV / A) for a membrane loudspeaker according to the prior art was estimated to be 3.75 ⁇ m. This may be re-estimated for a MEMS transducer as shown in FIGS. 8a-c, using dimensions useful for microtechnology technology, as discussed below, to obtain an estimate for an active area AV / A.
  • a value of 5 pm can be assumed for a width of the actuators (in the x-direction in FIG. 8a).
  • the width of the post 84 may also have a value of 5 pm.
  • 10 pm can be assumed.
  • h can represent the height of the chamber (eg, the z direction in Fig. 8a). Simplified, only the actuator height can be assumed for this purpose. A thickness of the spacer layers 34a and 34b may be neglected.
  • parasitic vibrations due to the significantly reduced number of mechanical elements and mechanical connections can be much easier controlled or reduced than in variants that the plate elements and possibly further deformable Have elements between the deformable element and the plate member.
  • a serial series connection of actuators, as shown for example in FIGS. 7b and 7c, can serve to achieve larger strokes or larger forces.
  • the stack 90 comprises a MEMS converter 80a, which is connected to further MEMS converters 80b and 80c to the stack 90 and arranged in the stack 90.
  • the electromechanical transducers of the MEMS converter 80a and of another MEMS converter 80b and / or 80c may be controllable together. This means that with a constant chip area, a volume flow which can be generated or detected is increased.
  • the stack 90 is described as comprising the MEMS transducers 80a, 80b, and 80c, alternatively or additionally, other MEMS transducers 10, 20, and / or 50 may be arranged.
  • the stack 90 may also include a different number of MEMS transducers, such as two, four, five, six, or more MEMS transducers.
  • the cavities or partial cavities of the MEMS transducers or adjacent MEMS transducers, which are arranged in the stack 90, can be connected to one another.
  • the cavities or partial cavities can be connected, for example, by openings in layers between individual MEMS transducers.
  • chips or chips ME S transducers
  • the stack height can be kept low.
  • Such a technology may include, for example, an etching process and / or a grinding process.
  • a reduction of a layer thickness of the layers 32a and / or 32b, which are arranged adjacent to one another, can be guided so far that one or even both of these layers are removed.
  • a manufacturing process may be carried out such that certain lower or upper covers (layers 32a and 32b, respectively) are omitted.
  • the stack 90 could be formed such that the MEMS converter 80b and / or 80c are each configured without layer 32b.
  • FIG. 10 shows a schematic perspective view of a section of a MEMS wall 100, in which deformable elements 22a-d are arranged between sides of the substrate 14.
  • the deformable elements 22a and 22b are indirectly connected via the anchor element 84a.
  • ends of the deformable elements 22a and 22b can be fixedly connected to the substrate, possibly with the anchor element 84a, and thus (fixed) clamped.
  • the deformable elements 22a-d or other deformable elements may have a beam structure.
  • the beam structure may be firmly clamped at first and second ends.
  • a clamping of ends of a deformable element 22a-d or a beam structure makes it possible to reduce or significantly reduce a deflection of the deformable elements (for instance due to layer stress gradients).
  • the gaps between the covers and the actuators can be much smaller, which has considerable efficiency advantages for some applications
  • the deformable elements 22a-d are, for example, firmly clamped on both sides.
  • a fixed restraint can be obtained by means of an arrangement or generation of the deformable elements 22a and / or 22b on the substrate 14 and / or on an anchor element 84a or 84b.
  • Dashed lines 88 indicate an undeflected state, whereas solid bars 92 indicate a deflected shape of the deformable elements 22a-d.
  • Shapes or elements 94a and 94b of the substrate 14 may allow positioning of the deformable elements 22a-d along the y-direction.
  • a paired position of electromechanical transducers 18a-c may be shifted based on elements 94a and 94b. Adjacent and / or in pairs mutually arranged electromechanical transducers 18a and 18b may be mutually deformable opposite to each other.
  • the deformable element 22a and optionally an opposing deformable element 22c may be formed to influence a partial cavity portion 96a based on the deformation, that is, the shape of the partial cavity portion 96a. H. to increase or decrease or to perform a deformation based on the volume flow in the Operakavticiansabterrorism 96a.
  • the deformable element 22b and optionally the oppositely disposed deformable element 22d may be formed to affect a Sectionkavticiansab mustard 96b.
  • the Ambikavticiansabterrorisme 96a and 96b may be interconnected, such as in an area of the anchor elements 84a and 84b.
  • the deformation of the deformable elements 22a-d can be obtained so that the deformable elements 22a and 22c or 22b and 22d deform with a frequency different from each other, i. H. a volume change in the partial cavity portion 96a may occur at a frequency different from a frequency at which a volume of the partial cavity portion 96b changes.
  • a volume change in the partial cavity portion 96a may occur at a frequency different from a frequency at which a volume of the partial cavity portion 96b changes.
  • the deformable elements 22a and 22b or the deformable elements 22c and 22d may also be directly connected to each other.
  • armature elements may be arranged in a central region of one or more deformable elements 22a-d to influence the deformation of the deformable elements 22a-d.
  • a spring element or another element may be arranged between the deformable elements 22a and 22b.
  • the MEMS converter 100 may be designed in such a way that, in a first time interval, the volume flow 12 is obtained in a positive y direction from openings 26 and subsequently, in a second time interval, the volume flow 12 is obtained in a negative y direction from openings 26.
  • FIG. 10 shows a configuration in which, in turn, exclusively, S-shaped actuators are arranged.
  • the S-shaped actuators can be represented in the illustration both actuated (solid lines 92) and non-actuated (dashed lines 88). Actuated and non-actuated state can also be interchangeable by appropriate design.
  • the S-shaped actuators (deformable elements 22a-d) can be clamped both at their one (upper) and at the other (lower) end.
  • the anchor elements 84a-b can be used.
  • the anchor elements 84a-b may be formed from the layers 34a, 36 and 34b and connected to a layer 32a and / or 32b.
  • a starting substrate can be processed in such a way that the actuators can be produced therefrom, wherein the starting substrate can have layer stress gradients, or layer stress gradients can be introduced during the production of the actuators.
  • a deflection of the deformable elements induced thereby can be reduced or prevented based on the arrangement of the anchor elements 84a and / or 84b.
  • the bilateral suspension of the deformable members may result in reducing or preventing deflection thereof toward one of the layers 32a or 32b.
  • Each chamber (Teilkavticiansabites 96a or 96b) may be limited by two S-shaped actuators. In the example of FIG. 10, two chambers may be serially connected in series.
  • the number of serially connected chambers can be selectable on the basis of an area provided on the chip taking into account the acoustic properties, in particular the resonance frequency of the S-shaped actuators or the actuator chamber system, and can be between 1 and a high number, For example, more than 3, more than 5 or more than 10 vary.
  • the elements 94a and 94b can optionally be arranged, ie the MEMS converter 100 can also be designed without these elements. If, for example, due to a special design or control of the electromechanical transducer and / or the deformable elements, a corresponding part of the actuator is not deflected, so can be dispensed with a spacing by means of the elements 94 a or 94 b of the substrate 14.
  • a multiple S-actuator can be executed. In particular, this makes it possible to obtain low resonance frequencies based on this arrangement, since a resonant frequency of the beam (deformable element) may decrease with increasing length.
  • FIG. 1 a shows a schematic plan view of a detail of a MEMS converter 1 10, in which the electromechanical transducers 18 a - b are compared with the configuration of FIG. 10 with respect to a lateral direction of the substrate 14, for example the x-direction, are arranged obliquely.
  • the electromechanical transducers 18a-b may have a longer axial extent. This may allow larger Sectionkavticiansabterrorisme 96a and / or 96b and / or a higher number of serially successively connected Crystalvticiansabterrorisme or deformable elements.
  • An outer beam segment 30a of a deformable element may be indirectly connected via the anchor element 84 to an outer beam segment 30c of another deformable element.
  • the beam segments 30a and 30c may also be directly, i. h., be directly connected with each other.
  • FIG. 11a shows a further exemplary embodiment in which the active surface is rotated by 45 ° compared to the embodiments of FIG. 10, wherein the available chip area may possibly be utilized to a greater extent.
  • Funnel-shaped openings 26 may be configured such that the sound is preferably perpendicular to the chip edge surface, i. H. along the y-direction in the positive or negative direction thereof can be emitted.
  • Each of the deformable elements described above may also be formed as a plurality of deformable elements interconnected.
  • 1 1 b shows a schematic plan view of a section of a MEMS converter 1 10 ', which can be used, for example, as a pump.
  • the partial cavity sections 96a and 96b can be connected to an environment of the MEMS converter 1 10 'via two openings 26a and 26b.
  • the partial cavity sections 96a and 96b can communicate with a first side 97a of the MEMS via the opening 26a.
  • the first side 97a and the second side 97b may, for example, be arranged opposite one another.
  • the sides 97a and 97b may also be at an angle to each other.
  • one of the sides 97a or 97b may include one side surface of the MEMS transducer 110 'and the other side 97b or 97a may include a main side (eg, top or bottom) of the MEMS transducer 110'.
  • fluid flow may be generated from the first side 97a to the second side 97b or vice versa through the MEMS transducer 110 '.
  • the deformable elements 22a and 22c can be deformed in a first time interval and the volume of the partial cavity section 96a can be reduced. In a second time interval, the volume of the Operakavticiansabitess 96b can be reduced.
  • a direction of the volumetric flow 12 can be influenced.
  • the function of a pump can be obtained by generating the volumetric flow 12 instead of back and forth analogously to a loudspeaker according to a flow principle by the MEMS converter.
  • An inlet and an outlet side of the MEMS transducer can be arranged opposite one another, but can alternatively also have an angle to one another or be spatially or fluidly spaced from one another on the same side.
  • the cavity comprising the sub-cavity portions 96a and 96b may include the openings 26a and 26b in the substrate.
  • At least one of the electromechanical transducers 18a or 18b may be configured to provide the volumetric flow 12 based on the fluid. For example.
  • At least one of the electromechanical transducers 18a or 18b may be configured to propel the fluid in a direction of the cavity based on actuation of the electromechanical transducer through the first opening 26a or into a fluid based on the actuation through the second opening 26b Direction away from the cavity or vice versa.
  • FIG. 12 a shows a schematic view of a MEMS converter 120 which, for example, can be used as a MEMS pump, in a first state.
  • the MEMS converter 120 has, for example, two deformable elements 22a and 22b, which have a beam structure and are clamped on both sides of the substrate 14 or firmly clamped.
  • the MEMS transducer 120 may also be implemented with a deformable element or with more than two deformable elements.
  • FIG. 12b shows the MEMS converter 120 in a second state.
  • the second state can be obtained starting from the first state, as shown in FIG. 12a.
  • the first state can be obtained based on a rebound of the deformable element or elements.
  • the partial cavity 38 between the deformable elements 22a and 22b is increased, for example, with respect to the first state.
  • a sectionkavtician 42a and 42b is arranged, the volumes of which can be reduced or enlarged complementary to the volume of the Generalkavtician 38, wherein also complementary to the Generalkavtician 38 based on an overpressure or negative pressure can be obtained on the deformation of the deformable elements.
  • valve structure 85a-f may be arranged in a region of a respective opening 26, a valve structure 85a-f may be arranged.
  • one or more valve structures 85a-f may be formed of a material of the substrate 14.
  • the valve structures may be integral with one or more Ren layers of the substrate 14 may be formed and, for example, be generated by means of an etching process.
  • the valve structures may be configured to inhibit a flow of the volumetric flow 12 through the opening 26 at least along one direction, i. h., reduce or prevent.
  • the valve structures 85b, 85d and 85f may be formed to reduce or prevent leakage of the fluid from the respective subcavity.
  • the valve structures 85a, 85c and 85e may be formed to reduce or prevent ingress of the fluid into the respective subcavity.
  • One or more valve structures 85a-f may be passively formed, such as a cantilevered cantilever structure or tongue structure.
  • one or more valve structures 85a-f may be actively formed, such as an electromechanical transducer or deformable element. In simple terms, the valve structures 85a-f can be actuated like the other actuators (electromechanical converter) of the ME S converter.
  • the valve structure 85d may, for example, be designed to allow the volume flow 12 to flow into the subcavity 38 based on a negative pressure in the subcavity 38, while the valve structure 85c simultaneously reduces or prevents entry of the volume flow 12 into the subcavity 38. Occurs, as shown in Fig. 12b, an overpressure in the Generalkavtician 38, the valve structure 85 c may be formed to allow the volume flow 12 to flow out of the Operakavtician 38 based on the overpressure, while the valve structure 85 d simultaneously an outlet of the volume flow 12 reduced or prevented from the Generalkavmaschine 38.
  • valve structures 85a, 85b or 85e and 85f may be the same or comparable with respect to the partial cavities 42a and 42b.
  • the valve structures 85a-f may also be referred to as check valves and allow, for example, a setting of a preferred direction of the volume flow 12th
  • the MEMS transducer is described as having, for example, the volumetric flow from the subcavities 38, 42a and 42b along the same direction (positive y direction) and during different time intervals during which transition occurs between the first and second states, If the gas flows, the valve structures may also be arranged such that the volume flow from at least one partial cavity 38, 42 a or 42 b flows along another direction, for example the negative y-direction.
  • the MEMS transducer is described as having valve structures 85a-f disposed on each aperture 26, valve structures may alternatively be disposed on none or only a few apertures 26.
  • valve structures may be passive for a function as a check valve
  • the valve structures may also be actively formed, that is, they may be controllable and provide an open or closed state of the valve in the sense of actuators based on the drive.
  • two valve structures 85a and 85b, 85c and 85d or 85e and 85f can be controlled such that pressure pulses are generated in the fluid flow 12, for instance by a control device connected to the MEMS converter.
  • An actuation of the electromechanical transducers 18 can take place such that an overpressure or underpressure is built up in the fluid within the subcavities 42a, 42b and only then an opening of the valve structures 85a-f is actuated.
  • Fig. 12a shows an example in the non-actuated state, in which each chamber is provided at the top and bottom with a respective valve, which can be actively formed. Each valve can be opened or closed individually. Even a partial opening / closing is conceivable.
  • the valve beams can be designed and operated in the same way as the movable side walls, ie, the deformable elements. They can therefore be based on the same or the same actuator principle.
  • valve bending beams can also be designed so that they are movable in both directions, or the opening (by appropriate applied by the bending actuator valve counterforce) in fluid flow, close (except for a very small gap required for the movement
  • valve stem stops can also be used
  • the middle chamber (subcavity 38) can be extended by the two dark actuators (deformable elements 22a and 22b). are panded while the two outer chambers (part cavities 42a and 42b) are compressed.
  • the first chamber fills via the check valve 85d with the fluid from the lower region.
  • the latter push fluid into the upper area through the check valve 85a or 85e.
  • the middle chamber is compressed. Fluid is pushed into the upper area.
  • the outer chambers fill with the fluid from the lower area.
  • FIG. 13 shows a schematic view of a first deformable element 22a and a second deformable element 22b, which are connected to one another along a lateral extension direction 98 of the deformable element 22a and / or 22b.
  • a spring element 102 is arranged between the deformable element 22a and the deformable element 22b.
  • the spring element 102 can cause reduced mechanically induced restoring forces in the deformable elements 22a and 22b.
  • the spring element 102 may have a low rigidity in a direction 98 ', which is arranged perpendicular to the direction 98, and a high one along a direction 98 ", which may be arranged perpendicular to the direction 98 and 98'
  • the deformable elements 22a and 22b and the spring element 102 may, for example, be arranged as the deformable element 22a in the MEMS converter 110.
  • the actuators suitable spring elements 102 are arranged.
  • the spring element 102 is for example used in the middle of the actuators and in the desired direction (98 ') is particularly flexible and in the two directions (98 and 98 ") stiff, d. H. it has a high or higher rigidity.
  • the spring element 102 may be disposed between deflectable ends of the deformable elements 22a and 22b.
  • the spring element 102 may have a lower stiffness along the lateral movement direction 24 than in a direction perpendicular to the lateral movement direction 24.
  • FIG. 14 shows a schematic view of a stack 140 comprising a MEMS converter 80'a and a MEMS converter 80'b, which are interconnected and have a common layer 32 compared to the MEMS converter 80, that is, one layer 32a or 32b of the MEMS converter 80 is removed. Furthermore, the MEMS converter 80'a in the layer 32b, the openings 26, which means, compared to the MEMS converter 80, a radiation direction of the volume flow 12 and a direction of penetration of the volume flow 12 is tilted vertically.
  • a cover surface of the MEMS converter can form an outer side of the stack, wherein the MEMS converter can have an opening in the cover surface, which is arranged facing away from a side facing the second MEMS converter, wherein the volume flow 12 of the MEMS transducer 80 'a perpendicular or opposite to the flow of the MEMS converter 80' b from or enters the cavity.
  • a membrane element 104 may be arranged on the MEMS converter 80'a. The membrane element 104 can be arranged such that an exit of the volume flow 12 from the cavity and through the membrane element 104 or an entry of the volume flow 12 into the cavity 16 is at least partially prevented.
  • the cavity may extend to regions disposed outside of the MEMS transducer 80'a and disposed between the MEMS transducer 80'a and the membrane element 104. Based on the volume flow 12, a deflection of the membrane element 104 can be effected.
  • the membrane element 104 can be arranged, for example, by means of a frame structure 106 on the MEMS converter 80 'a.
  • the frame structure 106 may be disposed on a side of the MEMS converter 80'a, such as on a major side of the layer 32b.
  • a tilt can be performed by an angle different from 90 °.
  • the MEMS converter 80'b may have openings on or in the layer 32b, so that the volume flow 12 can enter or exit cavities on two sides of the stack 140 in cavities and / or cavities, the sides being arranged opposite to one another.
  • the stack 140 may also comprise a further or different MEMS converter, for example the MEMS converter 20 or 80.
  • the MEMS converter 20 may be arranged between the MEMS converters 80'a and 80'b. This allows entry or exit of the volumetric flow 12 into or out of cavities along a direction that is perpendicular to a corresponding direction of the MEMS transducer 80'a.
  • sound exit openings 26 may also be mounted in the lower lid 32a and / or in the upper lid 32b instead of on the chip side surfaces.
  • Fig. 14 shows a corresponding simplified representation. The openings 26 in the upper lid 32b can be seen. Similar openings may be in the lower lid 32b, but are not recognizable based on the perspective view.
  • the layer 32 may also have openings, that is, cavities, partial cavities and / or partial cavity portions of the MEMS transducers 80'a and 80'b may be interconnected. Via the openings in the layer 32 may be vertically interconnected (along the z-direction) superimposed chambers.
  • a grid comprising one or more rod elements (grid bars) 44 which can be designed to set the damping and in particular as protection against particles, can also be easily realized in the variant described in FIG. 14.
  • the openings 26 in the upper lid 32b and the lower lid 32a may be formed by a wet or dry chemical etching process. Before the etching, the desired lattice can be patterned in an additionally applied thin layer, which has a suitably high selectivity for the etching of the openings.
  • an etching process with a suitable high isotropy or lateral undercutting can now be selected so that the grid webs 44 can be undercut.
  • the lattice can be produced in a silicon oxide or nitride layer and the lids can be made of silicon, which can then be structured by means of deep reactive ion etching (DRIE).
  • DRIE deep reactive ion etching
  • This process can be set to achieve undercuts on the order of microns.
  • TMAH tetramethylammonium hydroxide
  • KOH potassium hydroxide
  • nitric acid - HNA nitric acid
  • the sound exit area may thus comprise a larger proportion of the chip area and optionally compared with MEMS converters which have an exit on a side area, such as the MEMS converter 80. be designed larger.
  • This option offers further design flexibility in terms of acoustic properties and damping.
  • a combination of sound exit openings in the covers 32a and 32b and the side surfaces between the cover surfaces 32a and 32b is a feature of further embodiments.
  • a preferred variant for highly integrated systems may include the provision of openings in the lid 32b to deliver the sound upwards and to include the attachment of the pressure equalizing ports on the side. sen, in order to apply the device easily, for example, to apply a printed circuit board.
  • the sound inlet openings or sound outlet openings 26 can be designed so that the acoustic properties and / or the damping properties are set specifically.
  • the lower and / or upper layers 32a and 32b may in principle also be capable of oscillation.
  • the oscillation of these elements may be suppressed or reduced by suitable additional interconnection elements in the intermediate layers 34a and 34b and 36, respectively, by the armature elements 84.
  • the suppression or reduction may include shifting the oscillation to a frequency range outside of the auditory sound lies.
  • the oscillation of the layers 32a and / or 32b can also be implemented specifically for the optimization of the acoustic radiation, it likewise being possible to use specific compounds in the layers and additionally the rigidity or acoustic properties of the layers 32a and 32b by appropriate structuring (through holes or blind holes) can be adjustable.
  • a membrane to the upper lid 32b, which is then excited by the volume flow 12 of the chambers to vibrate.
  • This is indicated schematically by the dashed line 104.
  • a spacer in the form of a frame or spacer (spacer) 106 may be arranged on the upper cover 32b, on which the membrane 104 may be arranged or clamped.
  • the production of such a membrane 104 can take place with known micromechanical processes.
  • the membrane 104 can also be arranged in the interior of the cavity or partial cavity and / or cover only one or a portion of the openings 26.
  • chambers which can generate a partial volume flow independent of some, several or all other chambers, for example in partial cavities or partial cavity sections.
  • Chambers can be realized which consist of subchambers which are contiguous in the lateral and / or vertical direction (laterally see, for example, FIGS. 10 and 11) (vertically see, for example, FIG. 14), wherein exemplary embodiments also show a combination thereof.
  • Such contiguous subchambers (such as subcavity sections 94a and 94b) may be utilized to provide independent of other chambers or subchambers. gene or dependent partial volume flow to produce.
  • a case in which a chamber (partial cavity) can generate a volume flow independently of one another can be referred to as a mono-chamber.
  • a chamber that can generate a volume flow based on a plurality of subchambers (subcavity sections) may be referred to as a composite chamber.
  • the resonance frequencies of all actuator / chamber systems can be identical or can be designed differently.
  • certain frequency ranges in the sound radiation can be emphasized by an increased number of corresponding mono-chambers.
  • a design of the frequency response (sound pressure level as a function of the frequency) can be achieved.
  • the smoothing of the frequency response plays an essential role.
  • Subcavities and / or subcavity sections can be based on spatial expansions of the volumes, a geometry of the electromechanical transducers and / or a frequency at which the electromechanical transducers are operated to emit the volume flow at a different frequency and / or optimized for the detection of certain frequencies of the volumetric flow be.
  • only mono-chambers are used.
  • the sound outlet openings can be arranged only laterally.
  • Three chips / disks (MEMS converters) can be stacked on top of each other. The upper chip may be optimized for sound radiation in a first (eg high frequency range). A second, approximately middle, MEMS converter may be adapted to a second frequency range (approximately medium frequencies).
  • a third MEMS converter may be adapted for a third frequency range, such as low frequencies.
  • This can be a three- Path speakers are obtained.
  • the arrangement of the three channels (three MEMS converters) could also be done in one chip by adding laterally a first number Ni of chambers for the high frequencies, a second number N 2 of chambers for middle frequencies and a third number N 3 for low frequencies is used.
  • This principle is easily expandable for an N-way system in lateral and in stacking in the vertical direction.
  • an N-path system is designed to generate the sound via Fourier synthesis of the corresponding harmonics with the frequencies N * fi, where fi represents the lowest frequency.
  • a MEMS converter with at least one further MEMS converter can be arranged in a stack, wherein a stack, for example, by an arrangement of at least two MEMS transducers along a lateral direction (approximately the x-direction) and / or a thickness direction (about the z-direction) can be obtained.
  • the MEMS transducers may also be spaced from each other.
  • the cavity of the MEMS converter and the cavity of the at least one further (second) MEMS converter may have a resonance frequency which differs from one another.
  • an N-way loudspeaker In an actuator operation, i. that is, the deformable elements are actively deformed, an N-way loudspeaker can be obtained, where N denotes a number of MEMS transducers with mutually different resonance frequencies.
  • N denotes a number of MEMS transducers with mutually different resonance frequencies.
  • different frequency ranges of the volume flow can be detected with different MEMS transducers. This allows, for example, a Fourier synthesis of the volume flow.
  • the controller 128 may be configured to detect the deformation of the deformable elements of one or more of the electromechanical transducers of the MEMS transducer and the another MEMS transducer.
  • the control device may be configured to calculate a Fourier synthesis based on the electrical signals and output a result.
  • the contiguous sub-chambers can also support different frequencies by corresponding position of the resonance maxima.
  • three subchambers could represent a three way system. The z. In the rear compartment (first section along an axial extension).
  • a low-frequency modulated air flow would additionally undergo a high-frequency modulation in the middle sub-chamber (second section along an axial extension) and in the front part of the chamber (third section along an axial extension).
  • the chambers or sub-chambers which are used for high frequencies, can thus be designed with a smaller chamber volume or distance of the chamber limiting actuator side walls.
  • phase offset can be introduced via the control between chambers of the same frequency, so that the wavefront is tilted and does not exit perpendicular to the surface (phased array).
  • each chamber is surrounded by at least one second chamber into which air flows in order to equalize the pressure when air flows into the first chamber or vice versa. Obviously, this is especially true when there are no partitions between these chambers, as an actuator increases the volume of one chamber while reducing the volume of the other chamber, and vice versa.
  • z. B. for use as speakers in hearing aids or in-ear headphones is often the outside air (ie the outside of the ear) is not moved through the speaker. Rather, only by the oscillation z. B. a membrane, the volume in the Ohrkanai varies periodically. This can be done in all variants presented and in the following by the corresponding openings, which lie in the illustrated variants either on a chip top side, a chip bottom side or on a chip side surfaces remain closed. For this purpose, it is only at these points to dispense with the structuring of the bar grille.
  • bar grids can be replaced at certain points or even completely with a closed membrane.
  • the particle sensitivity is maximally reduced and enables the operation in particular in contaminating or corrosive gases and liquids.
  • measures in the design and operation of the bending actuators are presented, which have the goal to represent the desired frequency response as well as possible.
  • the effective stiffness of the actuators and thus the resonance frequency can be reduced. For example, see Figure 15, where a single spring element was used to divide the bender into two elements.
  • the division into two or more elements is important for achieving a resonance frequency in the low frequency range of the audible sound, since the bending actuators without such a measure at natural dimensions of the bending actuators (eg width 5 ⁇ , length 2 mm, material silicon) natural frequencies in the kHz range.
  • an additional mass element can be deliberately provided on the bending reactor or also on the optionally present rigid plate in order to reduce the resonance frequency. Such an element can be provided in a simple manner in the structuring of the layer 36.
  • the mode of action of an additional mass Am can be explained on a model of the harmonic oscillator.
  • oscillation amplitude ⁇ ( ⁇ ) of an element of mass m suspended by a spring of stiffness k is given in sinusoidal excitation with a force of amplitude F 0 as:
  • ⁇ is the angular frequency of the excitation and c the damping constant. If the resonator is operated in the quasi-static range, the amplitude is independent of the mass. It holds for ⁇ « ⁇ 0 :
  • ⁇ 0- is inversely proportional to the root of the mass of the vibrator, an increase in the mass causes a corresponding reduction of o 0- and thus an increase in the amplitude.
  • the gain in amplitude results under the condition c co 0 . ⁇ k.
  • the bending beams are constructed so that they can bend depending on the addressing or signal in one or the other direction.
  • the restoring force is no longer necessarily on the mechanical spring action when bending the beam applied.
  • the component should also be designed for the generation of ultrasound.
  • beams are provided with position-sensitive elements (eg, piezoresistive, piezoelectric, capacitive, etc.), in order then to provide a component as a microphone.
  • position-sensitive elements eg, piezoresistive, piezoelectric, capacitive, etc.
  • wafer bonding techniques and deep reactive ion etching can be used for the core of silicon MEMS speaker fabrication.
  • the production of the actuators depends on the chosen operating principle and is initially hidden. This part can be incorporated modularly into the following exemplary process.
  • the following diagram refers to a component with only lateral borrowings for the air flow.
  • BSOI bonded silicon on insulator, bonded silicon on an insulator
  • the handle wafer forms the lower lid 32a of the MEMS loudspeaker device.
  • the buried oxide layer of the BSOI disc may later act as a spacer layer 34a.
  • the active layer of the BSOI disc may correspond to layer 36.
  • the carrier disk may have a thickness of 500 to 700 .mu.m and may be further thinned if necessary - possibly at the end of the process.
  • the buried oxide layer may have a thickness of 50 nm to 1 pm.
  • the active layer of the BSOI disc may have a thickness of 1 to 300 ⁇ m.
  • the layer 36 is, for example, preferably structured with deep reactive ion etching (DRIE).
  • DRIE deep reactive ion etching
  • the buried oxide layer (34a) can be at least be removed locally at least locally in the range of motion of the actuators or at least thinned. This can be wet-chemically, z. B. with BOE (Buffered Oxide Etch - buffered HF solution) or dry chemical, z. B. by means of gaseous HF (hydrofluoric acid), take place. After at least partial removal of the spacer layer 34a in the range of motion of the actuators z.
  • BOE Bouffered Oxide Etch - buffered HF solution
  • gaseous HF hydrofluoric acid
  • Example via a vapor deposition (chemical vapor deposition, chemical vapor deposition - CVD or atomic layer deposition, atomic layer deposition - ALD) are deposited a low-friction layer, which closes the gap between the layer 34a and the actuators (deformable elements) or greatly reduced.
  • a vapor deposition chemical vapor deposition, chemical vapor deposition - CVD or atomic layer deposition, atomic layer deposition - ALD
  • a low-friction layer which closes the gap between the layer 34a and the actuators (deformable elements) or greatly reduced.
  • RIE reactive ion etching
  • a low-friction layer can also be used for the upper lid (layer 32b). This is then z. B. applied to the lid before bonding.
  • the spacer layer 34b can then be dispensed with.
  • a low-friction layer can be obtained by depositing a material.
  • a coefficient of friction may be 10%, 20%, or 50% less than a material of layers 32a, 34a, 34b, or 32b.
  • the layer 36 can also be used as an electrical conductor with appropriate doping. Especially when actuators with different frequencies are to be excited, a vertical electrical insulation in layer 36 is advantageous. This can be z. B. by so-called filled trenches, as described in [8] can be achieved. The use of open trenches for electrical insulation is also an option.
  • a layer is applied and patterned onto a second wafer, which may be formed as a silicon wafer having a typical or possible thickness of 500 to 700 microns, and will, for example, form the top lid 32b.
  • This layer corresponds to the spacer layer 34b.
  • the thickness of this layer preferably corresponds to that of the buried oxide layer.
  • the material for the spacer layer all materials are available which make it possible to subsequently bond the second pane to the BSOI pane. made possible.
  • Exemplary here is called silicon oxide, preferably thermal oxide for the direct bonding of silicon oxide on silicon.
  • polysilicon can also be used for the direct bonding.
  • a further alternative is to etch suitable recesses in the second pane, so that the function of both the upper lid 32b and the function of the spacer layer 34b is imaged from the pane.
  • These depressions can be dispensed with, at least in the area of the actuator movement, if the pane is coated with a suitably low-friction layer at these locations, so that the distance between actuator (movable element) and lid (layers 32a and / or 32b) can be dispensed with , On a further layer on the second disc - apart from auxiliary layers (masking) for structuring - can then be dispensed with. This also allows the direct bonding of silicon on silicon.
  • the spacer layer 34b then consists of a polymeric material (eg BGB).
  • Conceivable for reasons of non-existent CMOS compatibility but not preferred, are also Au-Si eutectic bonding method or anodic bonding method (Na-ion containing layers).
  • the core of the production in the laminated composite is completed.
  • the production of electrical wiring and contacts and possibly required electrical insulation structures was not carried out.
  • These elements can be provided by known standard processes according to the state of the art: production of interconnects z. Example by sputtering and structuring of AlSiCu, vertical isolation by deposition and patterning of oxides, lateral isolation by open or filled isolation trenches, which completely penetrate the layer 36.
  • z. B. allows by the device within a frame with this z. B. is connected via four thin webs.
  • structuring are mainly anisotropic etching, such. As TMAH, KOH and DRIE in question.
  • the DRIE structuring of the layer 36 is the preferred variant.
  • the webs are destroyed. This can be z. B. done mechanically or by laser processing.
  • the layer 36 can be structured by means of DRIE in order to realize the vertical course of the bar grids. From the chip surface then results in a trench, which ends on the lower lid 32b. This trench can now be filled with a polymeric material (eg photoresist).
  • the polymer serves to protect against contamination in the subsequent saw-singling process. After sawing, the components are rinsed and cleaned to remove the sawdust. Subsequently, the polymer is removed by suitable solvents or in an oxygen plasma.
  • openings in the lower and upper cover are used instead of the lateral openings, then the production is to be expanded, as already described in the context of FIG. 16.
  • the separation lower and upper opening z. B. be protected by a film so that sawing or laser cutting are possible.
  • the openings may also be closed by a polymeric material, e.g. B. photoresist, are closed for the separation process and then removed by a solvent or in the oxygen plasma again.
  • the stacking of components is preferably carried out in the disk composite by bonding method.
  • the electrical contacting can then take place either by electrical contacts (bond pads) in the respective layer 36 or, when using TSVs (through-silicon vias), also via so-called bumps on the chip underside.
  • TSVs can also be used to electrically connect the stacked dies.
  • TSVs and bumps can also be used.
  • the spacer layers 34a and 34b can remain unstructured in the region of the bar grids.
  • the MEMS converter 50 can be embodied such that rigid plate elements 62a and 62b are designed as capacitor plates or have capacitor plates that move toward one another due to an electric potential difference until the elements 64 then act as bending spring have mechanical counterforce.
  • the bending beam can be deflected directly via an additionally arranged, fixed counterelectrode. The use of comb electrodes to increase the forces or the deflection is conceivable.
  • Another electrostatic principle is based on the use of a one-sided clamped beam, which has a very small distance to an electrode at its clamping and this electrode gap increases with increasing distance from the clamping. The distance at the clamping can be zero. If there is an electrical voltage between the bending beam and the electrode, then a part of the bending beam determined by the height of the electrical voltage and the rigidity of the beam will conform to the electrode. The space between the beam and the electrode, based on the principle described here, forms the chamber 42a, which can be changed in its volume as described.
  • actuators A basic principle of such actuators is described, for example, in the literature.
  • [9] vertically deflecting actuators are presented.
  • the variation of the electrode spacing is realized by targeted introduction of layer stresses in the production of the bending beam.
  • actuators could easily be realized according to this principle by appropriate structuring of the layer 36.
  • an insulating layer is to be applied between the electrode and the bending beam, which is easy to implement by known methods of microsystem technology.
  • the introduction of a layer tension is not required because the bending beams already obtained by structuring the desired shape.
  • the actuators can be deflected laterally and can thus be used for the component principle described above.
  • the electrostatic working principle offers a large number of advantages. No external components, such as magnets or coils are required, and no contamination-critical materials are required for clean rooms and, in particular, CMOS-compatible cleanrooms.
  • the hitherto followed membrane approach has some disadvantages. This includes that with a single oscillating membrane or plate, the entire Hörschali Jardin can only be covered insufficiently.
  • the approach to operate the membrane or the membranes quasi-statically solves this problem, however, due to the lack of resonance increase at the expense of the deflection and thus at the expense of the achievable volume flow and the achievable sound level. The latter hang for a fixed volume, such.
  • Piezoelectric bending actuators require the deposition of a piezoelectric layer on a substrate.
  • This piezoelectric layer could, for example, correspond to the layer 58 from FIG. 3, which is then arranged laterally to, for example, silicon-comprising or consisting of layer 56.
  • the production of such actuators is possible with surface micromechanical processes.
  • thermomechanical actuators in the form of a cold and a warm arm can be easily integrated by the next described above DRIE structuring of the layer 36, the corresponding geometries are taken into account.
  • thermomechanical actuators Another variant for thermomechanical actuators is the use of bimorphs, which are heated by electric current.
  • a bimorph for example, after structuring the layer 36, an oxide layer could be conformally deposited, so that all side walls are also coated. This oxide layer could then be removed everywhere except on one side wall of the flexure by masking and etching processes.
  • the use of an electrodynamic principle of action is easy to implement for the bending beams clamped on both sides.
  • the bars experience a force in a magnetic field, which leads to deflection.
  • the direction of the current flow can be selected for the individual bars according to the desired deflection direction.
  • the optional production of the printed conductors takes place using standard processes of surface micromechanics.
  • the additional topography in the case is to be considered in the choice of the thickness of the spacer layer 34b.
  • the preferred embodiment for the bending actuator is a lateral electrostatic actuator, which relies on the use of very small electrode spacings and thus can operate and operate at low voltages.
  • Such lateral actuators are described, for example, in EP 2 264058 A1. This technology allows the production of all bending actuator and component variants described above and can be integrated in a simple manner modular in the above-described core part of the manufacturing process of the components.
  • Bending reactor length 1 mm, height: 30 ⁇ m, width 10 ⁇ m
  • the assumed dimensions are only to be understood as examples and can be implemented very well with micromechanical technologies.
  • the assumption laminar flow could be due to the small width of the actuators (top: 10 ⁇ ), which corresponds to the tube length, incorrect. However, this assumption is a worst-case assumption, since the turbidity increases the flow resistance.
  • the bending actuators in the layer 36 can be provided with suitable laterally formed elements. Arrangements which form vortices when flowing around are to be regarded as suitable. Alternatively or additionally, a deliberate roughening of the chamber-facing surface of the lid 32a and 32b can promote the formation of a turbulent flow. Fig.
  • FIG. 15 shows a schematic side sectional view of a deformable element 150, which has a first layer 1 12 and a second layer 1 14, which are spaced apart and connected to one another via connecting elements 1 16, wherein the connecting elements 1 16a-c with a ⁇ 90 ° to the layer 1 14 and the layer 1 12 are arranged.
  • the layers 1 12 and 1 14 may have an electrode.
  • one electrode can be arranged on the layers 1 12 and / or 14. Based on application of an electric potential, a repulsive or attractive force can be generated between the layers 1 12 and 1 14.
  • the attractive or repulsive force can lead to a deformation of the elements 1 16a-c, so that a deflectable from a clamped end 1 18 deflectable end 122 of the deformable element 144 along the lateral direction of movement 24 is deflectable.
  • the deformable element 150 can have a first layer 14 and a second layer 16, wherein 16 spacers 16a-c can be arranged between the first layer 14 and the second layer 16.
  • the spacers 16a-c can be arranged in an inclination direction 124 obliquely to a course of the layers 1 12 and 1 14.
  • An attractive force between the layers 1 12 and 1 14 may cause a deflection of the deformable element 150.
  • the deformable element 150 may be planar or simply curved along the direction of inclination.
  • the deformable element or the layers 1 12 and / or 1 14 also have at least two discontinuously juxtaposed sections, approximately following a sawtooth pattern.
  • FIG. 16 shows a schematic plan view of a deformable element 160 which is arranged adjacent to an electrode 126.
  • the deformable element 160 can have a further electrode 127 or the further electrode 127. Based on an applied electric potential between the electrode 126 and the further electrode 127 of the deformable element 160, an electrostatic or electrodynamic force F can be generated. Based on the electrostatic or electrodynamic force F, deformation of the deformable member 160 may be effected.
  • a distance between the deformable member 160 and the electrode 126 may vary along the axial extension direction 98 of the deformable member. In a region where the mechanical transducer or the deformable element 160 has a connection to the substrate 14, the distance can be minimal. This allows a high controllability of the deformation of the deformable element 160.
  • the distance between the electrode 126 and the deformable element 160 along the extension direction 98 may be arbitrarily variable or constant.
  • Electromechanical transducers can be formed according to embodiments as electrostatic transducers, as piezoelectric transducers, as electromagnetic transducers, as electrodynamic transducers, as thermomechanical transducers or as magnetostrictive transducers. Based on a producible force, deformation of the deformable element may be effected or deformation of the deformable element may be detectable. 17 shows a schematic block diagram of a MEMS system 170 having the MEMS converter 80 connected to a controller 28 configured to drive the electrodynamic transducers of the ME S device 80 and / or electrical signals from the electrodynamic transducers of the MEMS device 80.
  • the controller 128 may be configured to drive the plurality of electromechanical transducers to at least locally move a first and an adjacent second electro-mechanical transducers during a first time interval.
  • the controller 128 may be configured to drive the plurality of electromechanical transducers such that the first electro-mechanical transducer and a third electro-mechanical transducer disposed adjacent to the first electro-mechanical transducer for a second interval approach the first electro-mechanical transducer may be arranged between the second and the third electromechanical transducer.
  • these may be the electromechanical transducers 18a-c, wherein the electromechanical transducer 18b may be the first electromechanical transducer.
  • control device 128 may be configured to receive and evaluate an electrical signal based on a deformation of the deformable element.
  • the controller 128 may be configured to determine a frequency or amplitude of deformation.
  • the system 170 can be operated as a sensor and / or actuator.
  • system 170 may be operated as a MEMS speaker, where volume flow 12 may be an acoustic sound wave or an ultrasonic wave.
  • the system 170 may be implemented as a MEMS pump.
  • a cavity of the substrate may have a first opening 26 and a second opening 26 in the substrate 14.
  • the electromechanical transducer 18 may be configured to provide the volumetric flow 12 based on the fluid.
  • the electromechanical converter can be configured to convey the fluid in a direction of the cavity based on an actuation of the electromechanical transducer 18 through the first opening 26 or to convey the fluid in a direction away from the cavity based on the actuation by the second opening.
  • the system 170 may be operated as a MEMS microphone, wherein based on the deformation of the deformable member, an electrical signal may be obtainable at a terminal of the electro-mechanical transducer 80 or other connected electromechanical transducer. Based on the volume flow 12, the deformation of the deformable element can be effected.
  • MEMS converter 80 another MEMS converter may be arranged, such as the MEMS converter 10, 20, 50, 100 or 110.
  • a plurality of MEMS converters may be arranged according to exemplary embodiments described above.
  • a stack of MEMS converters may be arranged MEMS transducers, such as the stack 90 or 140.
  • at least two MEMS transducers may be arranged.
  • At least one first MEMS converter and a second MEMS converter may have cavities or partial cavities and / or electromechanical transducers with mutually different resonance frequencies, for example a chamber with 500 Hz actuators, a further chamber or a further (partial) cavity with 2 kHz Actuators, etc.).
  • FIG. 18 shows a schematic plan view of a MEMS converter 180 which has a large number of electromechanical converters 18a to 18i, wherein the electromechanical converters 18a to 18f are laterally offset from one another laterally in a first cavity 16a and the electromechanical converters 18g to 18i are laterally juxtaposed offset from each other in a second cavity 16b are arranged.
  • the cavities 16a and 16b may have an opening in a bottom and / or top surface of the substrate 14, not shown.
  • the MEMS converter 180 can be used as a loudspeaker and / or microphone, which applies to individual electromechanical transducers 18a to 18i as well as to the electromechanical transducers 18a to 18f or 18g to 18i of a respective cavity 16a and 16b.
  • the speakers and / or microphones can also be designed so that it is optimized for the delivery or recording of sound waves via vibrations.
  • it can be placed with the human body, ideally close to a bone, to transmit information via the body shell.
  • a preferred variant is that in which all the actuators move in the same direction, that is, regardless of an approach that a chamber has two movable walls.
  • the electromechanical transducers 18a to 18t comprise cantilevered beam elements.
  • the left chamber, cavity 16a contains laterally or vertically movable bender actuators, which preferably vibrate in phase, thus vibrating the chip to transmit sound.
  • the right chamber, cavity 16b contains three lateral or vertical bending actuators, which also preferably oscillate in phase, but which by their dimensioning (thickness, length or width) represent a different frequency range than the left chamber.
  • FIGS. 18 and 18 show a schematic plan view of a MEMS converter 190 having a multiplicity of electromechanical transducers 18a to 18i, the electromechanical transducers 18a to 18f being arranged laterally offset from one another and spacing adjacent cavities 16a to 16k or partial cavities from each other ,
  • the electromechanical transducers 18a to 8i comprise bilaterally clamped beam elements.
  • FIGS. 18 and 18 are shown in such a way that the MEMS converter 180 has exclusively bar elements clamped on one side and the MEMS converter 190 exclusively has beam elements clamped on both sides, the embodiments can also be combined with one another as desired, so that each cavity 16a or 16b independently of each other similar electromechanical transducers or within a cavity various electromechanical transducers can be arranged.
  • Fig. 19 shows a same principle as in Fig. 18, but this time are used on both sides clamped bending actuators.
  • FIG. 1 For exemplary embodiments, relate to a method for producing a MEMS converter.
  • the method includes providing a substrate having a cavity. Furthermore, the method comprises producing an electromechanical transducer having a deformable element along a lateral movement direction with the substrate. The step of manufacturing is carried out so that a deformation of the deformable element along the lateral direction of movement and a Volume flow, which interacts from the MEMS converter, causally related.
  • the electromechanical transducer can be produced, for example, by shaping it out of the substrate, for example by an etching process and / or by a deposition process for depositing additional layers.
  • volumetric flow being producible by moving two electromechanical transducers towards each other
  • the volumetric flow can also be obtained based or in causal interaction with movement of an electromechanical transducer relative to a rigid structure, for example the substrate , This means that a volume of a partial cavity or a partial cavity portion can be influenced by a single electromechanical transducer.
  • Previously described embodiments having a deformable member configured to perform a multiple curvature and / or connected to a plate member may be useful as compared to the configuration described in connection with FIG in order to generate a significantly higher volume flow or to react more sensitively to a volume flow.
  • Embodiments make it possible to make the frequency-dependent course of the rail pressure flexibly adjustable, in order to allow in particular the often desired case of the lowest possible frequency response.
  • the quality of the oscillatory bending beam is low, ie the bending beams have a broad resonance curve.
  • the clamping of the beams can be carried out so that by means of a damping material, the beam vibration is additionally attenuated.
  • the clamping of the beam is preferably made of a non-crystalline material. These include silica, polymers, such as. B. SU8 or other resists.
  • An attenuation of the bar oscillation can also be achieved electrically.
  • a periodically alternating current flows when the voltage is present.
  • electrical resistances creates a power loss, which leads to the damping of the vibration.
  • a complete one electrical resonant circuit ie in addition an integrated or external coil is provided
  • Damping can also be achieved by implementing additional structures on the flexure bars which provide significant flow resistance to the fluid as it enters and exits the chamber.
  • additional structures are preferably mounted in the region of the largest vibration amplitudes.
  • the optimum location or the area of the greatest vibration amplitudes is the end of the bending beam.
  • this is the middle of the beam.
  • each chamber may be provided with an inlet or outlet through which a fluid, such as air, may flow in and out.
  • the chambers may be closed by a fixed lid along a direction perpendicular to the lateral direction of movement (eg, top and bottom).
  • At least one of the lateral walls of each chamber is designed to be movable or deformable and can be displaced by an actuator in such a way that the volume of this chamber is reduced or increased.
  • Previously described embodiments of MEMS converters may have electrical connections, bond pads or the like, which are not shown in the figures for the sake of clarity.
  • Embodiments described above relate to reusable loudspeakers or N-way loudspeakers which can be obtained based on different resonance frequencies of at least two cavities or partial cavities.
  • SPL sound pressure level
  • f frequency
  • the functional relationship can be easily transferred to different partial cavities or cavities arranged in different MEMS transducers.
  • the frequency of the volumetric flow can describe a frequency-dependent course of a pressure in the fluid.
  • the silicon chips of the MEMS transducers can be designed so as to be extracted from the wafer composite, which is obtained during wafer-level fabrication, in such a way that they have an adapted shape for the respective application. So the chip z. B. for use as speakers in hearing aids or in-ear headphones, for example, round or, which is better suited for the consumption of silicon surface on the disc, hexagonal.
  • Roberts, Robert C. et al. Electrostatically Driven Touch-Mode Poly-SiC Microspeaker, Sensors, IEEE 2007 (2007), p. 284-287.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Reciprocating Pumps (AREA)
  • Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)
  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)
  • Details Of Audible-Bandwidth Transducers (AREA)

Abstract

Ein MEMS-Wandler zum Interagieren mit einem Volumenstrom eines Fluids umfasst eine Substrat, das eine Kavität aufweist und einen elektromechanischen Wandler, der in der Kavität mit dem Substrat verbunden ist und ein sich entlang einer lateralen Beweg ungsrichtung verformbares Element aufweist, wobei eine Verformung des verformbaren Elements entlang der lateralen Bewegungsrichtung und der Volumenstrom des Fluids kausal zusammenhängen.

Description

MEMS-Wandler zum Interagieren mit einem Volumenstrom eines Fluids und Verfah reo zum Herstellen desselben Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen MEMS-Wandler zum Interagieren mit einem Volumenstrom eines Fluids, wie etwa einen MEMS-Lautsprecher, ein MEMS- Mikrophon oder eine MEMS-Pumpe. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Wandlers. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen MEMS-basierten elektroakustischen Wandler.
Ein Fokus der MEMS-Technologie (MEMS = mikroelektromechanisches System) liegt neben der Miniaturisierbarkeit insbesondere im Potential der kostengünstigen Fertigbar- keit der Komponente bei mittleren und hohen Stückzahlen. Elektroakustische MEMS- Lautsprecher sind derzeit in unbedeutendem Maße kommerzialisiert. Mit wenigen Ausnahmen bestehen MEMS-Lautsprecher aus einer Membran, welche durch ein ausgewähltes physikalisches Wirkprinzip quasistatisch oder resonant ausgelenkt wird. Die Auslen- kung hängt dabei linear oder nicht-linear von dem angelegten elektrischen Signal ab (Strom oder Spannung). Das Signal weist eine zeitliche Variation auf, welche in eine zeitliche Variation der Membranauslenkung übertragen wird. Die Hin- und Her-Bewegung der Membran überträgt sich in Form von Schall in das umgebende Fluid, für das im Folgenden vereinfachend aber nicht einschränkend Luft angenommen werden kann.
In manchen Fällen erfolgt die Aktuation der Membran nur in eine Richtung. Die Rückstellkraft wird dann durch die mechanische Federwirkung bei Membranauslenkung zur Verfügung gestellt. In anderen Fällen erfolgt die Aktuation in beide Richtungen, so dass die Membran eine sehr geringe Steifigkeit aufweisen kann.
Zur Aktuation der Membran ist der Einsatz elektrostatischer, piezoelektrischer, elektromagnetischer, elektrodynamischer und magnetostriktiver Wirkprinzipien beschrieben. Ein Überblick zu MEMS-Schallwandlern, die auf diesen Prinzipien basieren, findet sich beispielsweise in [1 ]. Elektrostatisch betriebene Wandler basieren auf der Kraft, die sich zwischen zwei mit unterschiedlichem elektrischem Potential belegten flächenhaften Elektroden ergeben. Im einfachsten Fall entspricht die Anordnung einem Plattenkondensator, wobei eine der beiden Platten beweglich aufgehängt ist. In der praktischen Umsetzung wird die bewegliche Elektrode als Membran ausgeführt, um einen akustischen Kurzschluss zu vermeiden. Bei einem Anlegen einer Spannung verwölbt sich die Membran in Richtung der Gegenelektrode. Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel wird die Membran im sogenannten Berührungsmodus (engl.: touch-mode) betrieben. Hierbei berührt die Membran die untere Elektrode, auf die zur Vermeidung eines Kurschlusses eine dünne Isolatorschicht aufgebracht ist, wie es beispielsweise in [2] beschrieben ist. Die Auflagefläche wird dabei durch die Größe der anliegenden elektrischen Spannung bestimmt und variiert damit zeitlich gemäß dem zeitlichen Verlauf dieser Spannung. Die so erzeugbare Oszillation dient der Schallerzeugung. Prinzipiell kann beim klassischen elektrostatischen Aufbau die Membran nur in Richtung der Elektrode angezogen werden. Die Rückstellkraft kann durch die Steifigkeit der Membran zumindest teilweise bestimmt und muss genügend hoch sein, um auch die höheren Frequenzen im Hörschallbereich übertragen zu können.
Anderseits kann bei gegebener elektrischer Spannung die Auslenkung der Membran mit zunehmender Steifigkeit sinken. Zur Vermeidung dieses Problems wurde ein Ansatz mit einer sehr weichen Membran entwickelt, welche dann durch eine obere und untere Elektrode angesteuert und somit in beide Richtungen ausgelenkt werden kann, wie es in [3] beschrieben ist. Dieser Lautsprecher verwendet insgesamt zwei solcher Membranen, die im Inneren einer Kavität aufgehängt sind, welche wie bei einer Mikropumpe über einen Einlass und einen Auslass verfügt und ansonsten geschlossen ist.
Piezoelektrisch betriebene Wandler nutzen den inversen piezoelektrischen Effekt. Eine anliegende elektrische Spannung führt zu einer mechanischen Spannung in einem Festkörper. In MEMS-Technologie werden typischerweise Materialien wie PZT (Blei-Zirkonat- Titanat), AIN (Aluminiumnitrid) oder ZnO (Zinkoxid) eingesetzt. Diese Materialien werden üblicherweise als Funktionsschicht auf eine Membran aufgebracht und so strukturiert, dass die Membran abhängig von der elektrischen Spannung, die an der Funktionsschicht anliegt, ausgelenkt bzw. zum Schwingen angeregt werden kann. Nachteilig bei piezoelektrischen Funktionsschichten wirkt sich die Tatsache aus, dass der Betrieb nicht hysteresefrei erfolgen kann. Außerdem ist die Integration der keramischen Funktionsschichten komplex und aufgrund der nicht vorhandenen CMOS-Kompatibilität (CMOS = comple- mentary metal oxide semiconductor, komplementärer Metalloxidhalbleiter) bei PZT und ZnO nur unter strenger Kontaminationskontrolle oder gleich in einem separaten Reinraumbereich möglich.
Elektromagnetisch betriebene Wandler beruhen auf der Kraftwirkung, die ein weichmag- netisches Material in einem ortsveränderlichen Magnetfeld (Gradient) erfährt. Für die Umsetzung des Prinzips wird neben dem weichmagnetischen Material ein Permanentmagnet und eine Spule benötigt, mittels derer der Ortsgradient des Magnetfeldes via Stromfluss zeitlich gesteuert werden kann. Das weichmagnetische Material wird beispielsweise in die Membran integriert. Alle anderen Komponenten werden in der Assemblierung zur Verfü- gung gestellt, wie es beispielsweise in [4] beschrieben ist. Der Aufbau ist voluminös, komplex und erscheint nicht sinnvoli für hohe Stückzahlen skalierbar zu sein.
Elektrodynamisch betriebene Wandler machen von der Lorentz-Kraft Gebrauch. Dieses bei makroskopischen Lautsprechern sehr weitverbreitete Verfahren ist auch bei einigen MEMS-Lautsprechern eingesetzt worden. Das Magnetfeld wird durch einen Permanentmagneten erzeugt. Im Magnetfeld wird eine stromdurchflossene Spule platziert. Üblicherweise wird die Spule durch Abscheidung und Strukturierung einer Metallschicht in die Membran integriert und der Permanentmagnet in der Assemblierung als externe Komponente zugefügt. Die Komplexität und die Einschränkungen bezüglich der Integration aller Komponenten in MEMS-Technologie steilen einen ähnlich großen Nachteil dar, wie bei den elektromagnetisch betriebenen Wandlern.
Magnetostriktiv betriebene Wandler beruhen auf einer Kontraktion oder Expansion einer Funktionsschicht bei anliegendem Magnetfeld. Bspw. ist Vanadium Permadur positiv magnetostriktiv, d. h., weist eine Expansion bei anliegendem Magnetfeld auf. Diese Kontraktion kann bei geeignetem Aufbau zur Erzeugung einer Membranschwingung genutzt werden. In [1] wurde als magnetostriktive Funktionsschicht Vanadium Permendur (Fe49Co49V2) eingesetzt, das über eine Chrom-Haftschicht auf Si02 (Siliziumdioxid) abgeschieden wurde. Das externe Magnetfeld wird über eine Mikroflachspule zur Verfügung gestellt, welche durch gaivanisch abgeschiedenes Kupfer realisiert wurde. Bezüglich Komplexität und Einschränkungen bei der Integration sind ähnliche Nachteile anzuführen, wie bei den beiden vorgenannten Wirkprinzipien.
Die vorangehend beschriebenen klassischen und am weitesten verbreiteten Varianten, die als gemeinsames Merkmal die Verwendung einer Membran haben, welche zu einer Schwingung angeregt werden kann, wird nachfolgend durch bestimmte Abwandlungen, die aufgrund spezieller Nachteile des klassischen Membranprinzips untersucht wurden, ergänzt.
Flexible Membranen können auch höhere Moden im Hörschallbereich aufweisen und so- mit zu parasitären Schwingungen führen, was die akustische Qualität senkt (Klirrfaktor), vgl. [1]. Zur Vermeidung bzw. Verringerung dieses Effektes werden daher Platten eingesetzt, welche eine deutlich höhere Steifigkeit aufweisen. Eine solche Platte wird über eine sehr weiche Aufhängung, die auch den akustischen Kurzschluss vermeiden soll, mit dem Chip verbunden, siehe hierzu [5].
Eine weitere Abwandlung stellt eine segmentierte Membran dar, die bei den oben beschriebenen magnetostriktiven Wandlern eingesetzt wurde. Dies entspricht einer speziellen topographischen Lösung für das Problem, dass sich die Funktionsschicht in zwei Richtungen kontrahiert oder expandiert. Konkret besteht der Aufbau aus mehreren auslenkba- ren Biegebalken. Nach [1] kann die Anordnung für Abstände der Balken kleiner oder gleich 3 pm als akustisch geschlossen angesehen werden. Durch entsprechende Dimensionierung der einzelnen Balken bezüglich einer Resonanzfrequenz und der Abstände zwischen den Balken kann eine vergleichsweise hohe akustische Bandbreite erreicht werden und der Verlauf des Schallpegels als Funktion der Schwingungsfrequenz ange- passt bzw. optimiert werden.
Neumann et al. verfolgen in [6] den Ansatz, statt einer einzelnen, großen Membran eine Vielzahl kleiner Teilmembranen zu verwenden. Jede Teilmembran hat eine so hohe Resonanzfrequenz, dass im Hörschallbereich eine quasistatische Auslenkung erfolgen kann. Damit wird insbesondere ein digitaler Betrieb des Lautsprechers ermöglicht.
Zusammenfassend lässt sich schlussfolgern, dass bezüglich Integration bekannte elektrostatisch betriebene Membranlautsprecher verhältnismäßig geringe Auslenkungen aufweisen, wenn moderate Antriebsspannungen vorausgesetzt werden. Als Referenz kann bei- spielsweise der elektrostatische Membranlautsprecher von Kim et al. gemäß [3] dienen. Jede der beiden Membranen hat eine Fläche von 2 x 2 mm2. In einem Abstand von jeweils 7,5 μηι ist die obere bzw. untere Elektrode angebracht. Je nach Geometrie der Membran und der Zunahme der Membransteifigkeit mit wachsender Auslenkung wird die Auslenkung aufgrund des sogenannten Pull-In-Effekts auf typischerweise 1/3 bis 1/2 des Elektrodenabstands beschränkt. Wird der höhere Wert von 1/2 angenommen, ergibt sich für die Auslenkung 7,5 pm / 2, und zwar einmal in die eine und einmal in die andere Rieh- tung. Das verdrängte Volumen lässt sich abschätzen, indem davon ausgegangen wird, dass es dem Volumen einer ausgelenkten steifen Platte mit einer Auslenkung der halben Maximalauslenkung der Membran entspricht. Dafür ergibt sich beispielsweise: z\V « (2 2 mm2) x 50 % * (2 x 7.5 μιη) / 2 = 15 x 10"3 mm3 (Gig. 1 ) bzw.
AV / aktive Fläche = AV / A = AV / 4 mm2 = 3.75 x 10'3 mm (Gig. 2)
Ein generelles Problem bei der Herstellung von miniaturisierten Membran-Lautsprechern ist es, einen flachen Verlauf des Schalldrucks als Funktion der Frequenz zu erreichen. Der erreichbare Schalldruck ist proportional zur Strahlungsimpedanz und der Geschwindigkeit der Membran. Im Makroskopischen ist der Membrandurchmesser vergleichbar mit der akustischen Wellenlänge. Hier gilt, dass die Strahlungsimpedanz proportional zur Frequenz ist, vgl. [6]. Qualitativ hochwertige Lautsprecher werden häufig so entworfen, dass die Resonanz f0 unterhalb des Hörschallbereichs liegt (für Mehrwegeiautsprecher liegt die jeweilige Resonanzfrequenz unterhalb der unteren Kantenfrequenz des entsprechenden elektrischen Filters). Für f » f0 ist die Geschwindigkeit der Membran damit pro- portional zu 1 /f. Insgesamt ergibt sich dann für die Frequenzabhängigkeit des Schalldrucks p der Ausdruck p <* 1. Es ergibt sich also in dieser (vereinfachten) Betrachtung ein vollständig flacher Verlauf der Schalldruckkurve.
Sobald der Durchmesser der Schallquelle / der Membran viel kleiner ist als die zu erzeu- gende Schallwellenlänge, kann für die Strahlungsimpedanz eine quadratische Abhängigkeit von der Frequenz angenommen werden, wie es in [7] beschrieben ist. Dies ist für MEMS-Lautsprecher mit Membranen in der Größenordnung von Millimetern gegeben. Wird wie oben f » f0 angenommen, so ergibt sich für den Verlauf der Schalidruckkurve die Abhängigkeit p <x f. Niedrige Frequenzen werden im Verhältnis zu den hohen Fre- quenzen mit zu geringem Schalldruck wiedergegeben. Bei quasistatischem Betrieb ist die Membrangeschwindigkeit proportional zu f. Es ergibt sich dann für den Schalldruckverlauf die für niedrige Frequenzen noch ungünstigere Abhängigkeit p <x f3.
Wünschenswert wäre demnach ein Konzept für verbesserte MEMS-Wandler, die einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen MEMS-Wandler und ein Verfahren zum Herstellen desselben zu schaffen, die einen Volumenstrom eines Fluids mit einem hohen Wirkungsgrad beeinflussen können und/oder von dem Volumenstrom mit einem hohen Wirkungsgrad beeinflusst werden können.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, erkannt zu haben, dass obige Aufgabe dadurch gelöst werden kann, dass ein Volumenstrom eines Fluids besonders effizient mittels eines Elements beeinflussbar ist, das entlang einer lateralen Bewegungsrichtung verformbar ist bzw. das der Volumenstrom ein derartiges Element besonders effizient auslenken kann. Die laterale Bewegungsrichtung, ggf. senkrecht zu einer Richtung des Fluidstroms, ermöglicht große Flächen des verformbaren Elements, die mit dem Volumenstrom in eine Wechselwirkung treten können, bei gleichzeitiger geringen Abmes- sungen einer Chipoberfiäche, so dass insgesamt eine effiziente MEMS- Wandlervorrichtung mit einem hohen Wirkungsgrad erhalten wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS-Wandler zum Interagieren mit einem Voiumenstrom eines Fluids ein Substrat, das eine Kavität aufweist, und einen elektromechanischen Wandler, der mit dem Substrat verbunden ist und ein sich entlang einer lateralen Bewegungsrichtung verformbares Element aufweist, wobei eine Verformung des verformbaren Elements entlang der lateralen Bewegungsrichtung und der Volumenstrom des Fluids kausal zusammenhängen. Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass ein Volumen, welches von dem verformbaren Element beeinflusst wird, oder welches das verformbare Element beeinflusst, in eine Richtung senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung und/oder senkrecht zu einer Chipoberfläche groß ausgeformt sein kann, wobei gleichzeitig geringe Chipoberflächen erhalten werden können.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiei weist ein MEMS-Lautsprecher einen derarti- gen MEMS-Wandler auf und ist konfiguriert, um eine akustische Schallwelle oder eine Ultraschallwelle auszusenden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiei umfasst eine MEMS-Pumpe einen MEMS-Wandler, so dass das Fluid basierend auf dem Volumenstrom transportierbar ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiei umfasst ein MEMS- Mikrophon einen MEMS-Wandler mit einem verformbaren Element, das entlang der late- ralen Bewegungsrichtung verformbar ist. Vorteilhaft an diesen Ausführungsbeispielen ist, dass ein hoher Wirkungsgrad unter Ausnutzung einer geringen Chipüberfläche erhalten werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Wandlers ein Bereitstellen eines Substrats, das eine Kavität aufweist, ein Verbinden eines eiektromechanischen Wandlers, der ein sich entlang einer lateralen Bewegungsrichtung verformbares Element aufweist, mit dem Substrat. Eine Verformung des verformbaren Elements entlang der lateralen Bewegungsrichtung und der Volumenstrom des Fluids hängen kausal zusammen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Wandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 2a eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Wandlers, der eine
Vielzahl elektromechanischer Wandler umfasst, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2b eine schematische Aufsicht des MEMS-Wandlers aus Fig. 2a gemäß einem
Ausführungsbeispiel.
Fig. 2c eine schematische perspektivische Ansicht des MEMS-Wandlers aus Fig. 2a, bei dem die eiektromechanischen Wandler einen verformten Zustand eines verformbaren Elements aufweisen, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines verformbaren Elements, das als Bimorph ausgeführt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 4a eine schematische perspektivische Ansicht eines verformbaren Elements, das drei Bimorphstrukturen aufweist, gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 4b eine schematische perspektivische Ansicht des verformbaren Elements gem. Fig. 4a in einem ausgelenkten Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 4c eine schematische Aufsicht auf eine Anordnung zweier verformbarer Elemente, die benachbart zueinander angeordnet sind gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 eine schematische Aufsicht auf einen MEMS-Wandler, bei dem die elektrome- chanischen Wandler verglichen mit dem MEMS-Wandler aus Fig. 2a eine veränderte Konfiguration aufweisen, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 6a eine schematische Aufsicht auf einen elektromechanischen Wandler, bei dem gerade ausgebildete Federelemente zwischen Plattenelementen und verformbaren Elementen angeordnet sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 6b eine schematische Aufsicht auf einen elektromechanischen Wandler, bei dem
Federelemente von auslenkbaren Enden der verformbaren Elemente mit einem Winkel von weniger als 90° angeordnet sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 6c eine schematische Aufsicht auf einen elektromechanischen Wandler, bei dem die Federelemente mit einem Winkel von mehr als 90° angeordnet sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 6d eine schematische Aufsicht auf einen elektromechanischen Wandler, bei dem das Substrats benachbart zu einem verformbaren Element ein Federelement aufweist, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 6e eine schematische Aufsicht auf einen elektromechanischen Wandler, bei dem
Plattenelemente Aussparungen aufweisen, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 7a eine schematische Aufsicht auf ein verformbares Element, das mit dem Plattenelement verbunden ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 7b eine schematische Aufsicht auf eine Konfiguration, bei der das verformbare
Element zwischen dem Substrat fest eingespannt ist und ausgebildet ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 7c eine schematische Aufsicht auf eine Konfiguration des elektromechanischen Wandlers, bei dem die verformbaren Elemente in einem Mittenbereich Aussparungen aufweisen, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 7d eine schematische Aufsicht auf eine Konfiguration, des elektromechanischen
Wandlers bei der ein erstes verformbares Element und ein zweites verformbares Element parallel zu einander angeordnet sind; Fig. 8a eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Wandlers, bei dem die verformbaren Elemente alternierend mit dem Substrat bzw. mit einem Ankerelement verbunden sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 8b eine schematische Aufsicht des MEMS-Wandlers aus Fig. 8a gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
Fig. 8c eine schematische perspektivische Ansicht des MEMS-Wandlers aus Fig. 8a in einem ausgelenkten Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 8d eine schematische Aufsicht auf den MEMS-Wandler aus Fig. 8b in dem ausge- ienkten Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 9 eine schematische perspektivische Ansicht eines Stapels, der drei MEMS- Wandler aufweist, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 10 eine schematische perspektivische Aufsicht auf einen Ausschnitt eines MEMS- Wandlers, bei dem zwischen Seiten des Substrats verformbare Elemente angeordnet sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 1 1 a eine schematische Aufsicht auf einen Ausschnitt eines MEMS-Wandlers, bei dem die elektromechanischen Wandler bezogen auf eine laterale Richtung des Substrats schräg angeordnet ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 1 1 b eine schematische Aufsicht auf einen Ausschnitt eines MEMS-Wandlers, der als Pumpe einsetzbar ist; gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 12a eine schematische Aufsicht auf einen Ausschnitt eines MEMS-Wandlers, der bspw. als ME S-Pumpe einsetzbar ist, in einem ersten Zustand;
Fig. 12b den EMS-Wandler aus Fig. 2a in einem zweiten Zustand;
Fig. 13 eine schematische Ansicht zweier verformbaren Elemente, die entlang einer lateralen Erstreckungsrichtung miteinander verbunden sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 14 eine schematische Ansicht eines Stapeis umfassend zwei MEMS-Wandler, die miteinander verbunden sind und eine gemeinsame Schicht aufweisen, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 15 eine schematische Seitenschnittansicht eines verformbaren Elements, das zwei
Schichten aufweist, die über Verbindungselemente miteinander beabstandet und verbunden sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 16 eine schematische Aufsicht auf ein verformbares Element, das benachbart zu einer Elektrode angeordnet ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 17 ein schematisches Blockschaltbild eines MEMS-Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 18 eine schematische Aufsicht auf einen MEMS-Wandler gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel, der eine Vielzahl von elektromechanischen Wandlern mit einseitig eingespannten Balkenelementen aufweist; und
Fig. 19 eine schematische Aufsicht auf einen MEMS-Wandler gemäß einem Ausführungsbeispiel, der eine Vielzahl von elektromechanischen Wandlern mit zwei- seitig eingespannten Balkenelementen aufweist.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unter- schiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in un- terschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Nachfolgend wird Bezug genommen auf ME S-Wandler (MEMS = mikroelektromechani- sches System). Ein MEMS-Wandler kann eine oder mehrere elektroaktive Komponenten aufweisen, die basierend auf einer angelegten elektrischen Größe (Strom, Spannung, Ladung oder dergleichen) eine Veränderung in einer mechanischen Komponente bewirken. Diese Veränderung kann sich beispielsweise auf eine Verformung, auf eine Erwärmung oder eine Verspannung der mechanischen Komponente beziehen. Alternativ oder zusätzlich kann eine mechanische Beeinflussung der Komponente, etwa eine Verformung, eine Erwärmung oder eine Verspannung, zu einem elektrischen Signal oder einer elektrischen Information (Spannung, Strom, Ladung oder dergleichen) führen, die an elektrischen Anschlüssen der Komponente erfasst werden kann. Manche Materialien oder Komponenten weisen eine Reziprozität auf, das bedeutet, die Effekte sind wechselseitig vertauschbar. Beispielsweise können Piezomaterialien den inversen piezoelektrischen Effekt (Verformung basierend auf einem angelegten elektrischen Signal) und den piezoelektrischen Effekt (Bereitstellen einer elektrischen Ladung basierend auf einer Verformung) aufweisen. Manche der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich darauf, dass ein verformbares Element eines elektromechanischen Wandlers ausgebildet ist, um mit einem Volumenstrom eines Fluids zu interagieren. Eine Interaktion kann beispielsweise eine Verformung des verformbaren Elements, bewirkt durch eine elektrisches Ansteuer- signal, umfassen, das zu einer Bewegung, Verschiebung, Kompression oder Dekompres- sion des Fluids führt. Alternativ oder zusätzlich kann der Volumenstrom des Fluids das verformbare Element verformen, so dass basierend auf der Wechselwirkung zwischen dem Volumenstrom und dem verformbaren Element eine Anwesenheit, eine Charakteristik (Druck, Strömungsgeschwindigkeit oder dergleichen) oder eine andere Information bezüglich des Fluids (etwa eine Temperatur) erhalten werden kann. Das bedeutet, dass eine Verformung des verformbaren Elements entlang der lateralen Bewegungsrichtung und der Volumenstrom des Fluids kausal zusammenhängen. MEMS können beispielsweise in Siliziumtechnologie hergestellt werden. Der elektromechanische Wandler kann das verformbare Element und weitere Elemente, etwa Elektroden und/oder elektrische Anschlüsse umfassen. Das verformbare Element kann ausgebildet sein, um sich (makrosko- pisch) entlang einer lateralen Bewegungsrichtung zu verformen, d. h., ein Element oder Bereich kann entlang der lateralen Bewegungsrichtung beweglich sein. Bei dem Element oder Bereich kann es sich bspw. um ein Balkenende oder um einen Mittenbereich einer Balkenstruktur handeln. Mikroskopisch betrachtet, kann bei einer Verformung des verformbaren Elements entlang der lateralen Bewegungsrichtung eine Verformung des verformbaren Elementes senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung auftreten. Nachfol- gend beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die makroskopische Betrachtungsweise.
Ausführungsbeispiele können miniaturisierte, in Silizium gefertigte Lautsprecher, Mikrophone und/oder Pumpen zur Verfügung stellen, die bezogen auf ihre jeweilige Baugröße einen möglichst hohen Schallpege!, eine möglichst hohe Empfindlichkeit und/oder eine möglichst hohe Flussrate des Fluids erzeugen können.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können genutzt werden, um Luftschall zu erzeugen, insbesondere im Hörschallbereich. Ausführungsbeispiele beziehen sich so- mit auf Lautsprecher, insbesondere miniaturisierte Lautsprecher, etwa für Hörgeräte, Kopfhörer, Headsets, Mobiltelefone oder dergleichen. Der wechselseitige kausale Zusammenhang zwischen dem Volumenstrom und der Verformung des verformbaren Elements ermöglicht auch eine Anwendung in Lautsprechern. Ausführungsbeispiele beziehen sich somit auf elektroakustische Wandler.
Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Wandlers 10. Der MEMS-Wandler 10 ist ausgebildet, um mit einem Volumenstrom 12 eines Fluids zu inter- agieren. Bei dem Fluid kann es sich um ein Gas (etwa Luft) und/oder eine Flüssigkeit handeln. Beispielsweise kann es sich bei der Flüssigkeit um eine medizinische Lösung, ein Medikament, eine Chemikalie für einen technischen Prozess oder dergleichen handeln.
Der MEMS-Wandler 10 weist ein Substrat 14 auf. Das Substrat 14 kann ein beliebiges Material aufweisen. Beispielsweise kann das Substrat 14 ein Holzmaterial, ein Metallma- terial und/oder ein Halbleitermatehal, etwa ein Siliziummaterial umfassen. Das Substrat 14 umfasst eine Kavität 16. Die Kavität 16 kann beispielsweise als Aussparung oder als zumindest teilweise umschlossenes Volumen des Substrats 14 verstanden werden. In der Kavität 16 kann zumindest bereichsweise das Fluid des Volumenstroms 12 angeordnet sein. Der MEMS-Wandler 10 umfasst einen elektromechanischen Wandler 18. Der elektrome- chanische Wandler 18 ist mit dem Substrat 14 verbunden. Der elektromechanische Wandler 18 umfasst ein verformbares Element 22, das entlang einer lateralen Bewegungsrichtung 24 verformbar ist. Beispielsweise kann ein Anlegen eines elektrischen Sig- nals an den elektromechanischen Wandler 18 zu der Verformung des verformbaren Elements 22 entlang der lateralen Bewegungsrichtung 24 führen. Alternativ oder zusätzlich kann der Volumenstrom 12, wenn er auf das verformbare Element 22 trifft, dazu führen, dass das verformbare Element 22 die Verformung ausführt, so dass ein elektrisches Signal von dem elektromechanischen Wandler 18, das auf dem Volumenstrom 12 basiert, erhalten werden kann. D. h., dass die Verformung des verformbaren Elements 22 und der Volumenstrom 12 kausal zusammenhängen. Beispielsweise kann der elektromechanische Wandler 18 zumindest eine, etwa zwei, piezoelektrische Schicht umfassen oder daraus bestehen. Beide Schichten können durch elektrische Spannung verformt werden. Der elektromechanische Wandler kann weitere Elemente umfassen, bspw. Elektroden.
Das Substrat 14 kann eine oder mehrere Öffnungen 26a-d umfassen, durch die der Volumenstrom 12 von einer Umgebung des MEMS-Wandlers 10 in die Kavität 16 und/oder aus der Kavität 16 in eine Umgebung des MEMS-Wandlers 10 gelangen kann. Eine Bewegung, die das verformbare Element 22 bei der Verformung ausführt, kann bezogen auf das Substrat 14 als in der Ebene (in plane) verstanden werden. Der Volumenstrom 12 kann zumindest teilweise senkrecht zu der Bewegungsrichtung 24 aus der Kavität 16 austreten oder in diese gelangen, wie es beispielsweise für den Volumenstrom 12 durch die Öffnung 26c oder 26d dargestellt ist. Vereinfacht ausgedrückt, kann eine Bewegung des verformbaren Elements 22 in-plane zu einem Volumenstrom 12 out-of-plane führen und andersherum. Das bedeutet, dass die laterale Bewegungsrichtung und/oder die Verkrümmung des verformbaren Elements in-plane bezogen auf das Substrat erfolgen kann.
Die Öffnungen 26c und 26d sind senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung 24 in dem Substrat 14 angeordnet. Die Verformung des verformbaren Elements 22 entlang der late- ralen Bewegungsrichtung 24 kann zu einer Bewegung zumindest eines Bereichs des verformbaren Elements 22 hin zu der Öffnung 26a erfolgen, so dass eine Teilkavität 28 basierend auf der Verformung verkleinert wird. Ein Druck des Fluids, das sich in der Teilkavität 28 befindet, kann basierend darauf erhöht werden. Vereinfacht ausgedrückt, kann das Fluid komprimiert werden. Dies kann ein Ausströmen des Fluids aus der Teilkavität 28 bzw. der Kavität 16 ermöglichen. Durch die Öffnungen 26d und 26c kann der Volumenstrom 12 senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung 24 erhalten werden. Eine Grundfläche des ME S-Wandlers 10 kann beispielsweise in einer x/y-Ebene angeordnet sein. Eine große Abmessung des MEMS-Wandlers 10 entlang einer z-Richtung, die senkrecht zu der x-Richtung und/oder der y-Richtung im Raum angeordnet ist bzw. eine hohe Abmessung des verformbaren Elements 22 entlang der z-Richtung kann zu einer Erhöhung des Volumenstroms 12 führen, während die Grundfläche des MEMS- Wandlers 10 unverändert bleibt. Eine Vergrößerung der Teilkavität 28 kann zu einem Unterdruck des Fluids in der Teilkavität 28 führen, so dass der Volumenstrom basierend auf der Verformung des verformbaren Elements 22 senkrecht zu der lateralen Bewegungs- richtung 24 in die Kavität 28 bzw. 16 strömt.
Das verformbare Element kann eine axiale Ausdehnung, beispielsweise entlang der y- Richtung, aufweisen, die einen Wert in einem Bereich von zumindest 1 pm und höchstens 100 mm, bevorzugt von zumindest 100 pm und höchstens 10 mm und besonders bevor- zugt in einem Bereich von zumindest 500 pm und höchstens 5 mm aufweist. Das verformbare Element 22 kann eine Ausdehnung entlang der lateralen Bewegungsrichtung 24 aufweisen, die einen Wert in einem Bereich von zumindest 0,1 pm und höchstens 1000 pm, bevorzugt von zumindest 1 pm und höchstens 100 pm und besonders bevorzugt in einem Bereich von zumindest 5 pm und höchstens 30 pm aufweist. Das verform- bare Element kann eine Ausdehnung entlang einer lateralen Richtung, die senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung angeordnet ist, beispielsweise entlang der z-Richtung, aufweisen, die einen Wert in einem Bereich von zumindest 0,1 pm und höchstens 1000 pm, bevorzugt von zumindest 1 pm und höchstens 300 pm und besonders bevorzugt in einem Bereich von zumindest 10 pm und höchstens 100 pm aufweist.
Fig. 2a zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Wandlers 20, der eine Vielzahl elektromechanischer Wandler 18a-f umfasst. Die elektromechanischen Wandler 18a-f sind mit dem Substrat 14 verbunden und können jeweils ein entlang der lateralen Bewegungsrichtung 24 verformbares Element aufweisen, wie es im Zusammen- hang mit der Fig. 1 beschrieben ist.
Das Substrat 14 umfasst beispielsweise eine erste Schicht 32a, eine erste Abstandsschicht 34a, eine Zwischenschicht 36, eine zweite Abstandsschicht 34b und eine zweite Schicht 32b, die in der genannten Reihenfolge aufeinander angeordnet sind. Gemäß wei- teren Ausführungsbeispieien kann zwischen zwei der als aufeinanderfolgend angeordneten Schichten eine oder mehrere weitere Schichten angeordnet sein. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist zumindest eine der Schichten 32a, 32b, 34a, 34b und/oder 36 mehrschichtig aufgebaut.
Die elektromechanischen Wandler 18a-f sind ausgebildet und/oder ansteuerbar, so dass sich diese basierend auf dem Volumenstrom 12 und/oder basierend auf einer Ansteue- rung teilweise aufeinander zu- und teilweise voneinander wegbewegen.
Beispielsweise sind die elektromechanischen Wandler 18a und 18b ausgebildet, um sich voneinander wegzubewegen, während die elektromechanischen Wandler 18b und 18c sich aufeinander zubewegen. Zwischen den elektromechanischen Wandlern 18a und 18b, 18c und 18d und 18e und 18f sind Teilkavitäten 38a-c angeordnet, wobei sich die Teii- kavitäten 38a-c basierend auf der Verformung der elektromechanischen Wandler 18a-f vergrößern können. Zwischen den elektromechanischen Wandlern 18b und 18c bzw. 18d und 18e sind Teilkavitäten 42a und 42b angeordnet, die sich basierend auf der Bewegung oder Verformung gleichzeitig verkleinern können. In einem darauffolgenden Zeitintervall kann die Verformung oder Bewegung der elektromechanischen Wandler bzw. der verformbaren Elemente umkehrbar sein, so dass sich die Volumina der Teilkavitäten 38a, 38b und 38c verkleinern, während sich Volumina der Teilkavitäten 42a und 42b vergrößern.
In anderen Worten, auf dem unteren Deckel (erste Schicht 32a), der den Chip auf einer Seite (beispielsweise jedoch ohne Einschränkung eine Unterseite) teilweise oder vollständig abschließt, kann eine strukturierte Schicht, die Abstandsschicht 34a, angeordnet sein, welche beispielsweise als Abstandshalter zwischen dem unteren Deckel und der auf der strukturierten Schicht 34a angeordneten Zwischenschicht 36 nutzbar ist. Auf die strukturierte Schicht 36 kann wiederum eine strukturierte Abstandsschicht 34b angeordnet sein, die in ihrer Funktion als Abstandshalter ganz oder teilweise der Abstandsschicht 34a entspricht und eine identische oder ähnliche Form aufweisen kann. Der ME S-Wandier 20 bzw. dessen Kavität kann durch den oberen Deckel, die zweite Schicht 32b entlang der z- Richtung teilweise oder vollständig abgeschlossen werden. Fig. 2a zeigt die Schicht 32b als teilweise aufgebrochene Darstellung, um im Bereich der Kavität angeordnete Elemente darstellbar zu machen. In einer x/y-Ebene der Zwischenschicht 36 können paarweise elektromechanische Wandler 18b und 18c bzw. 18d und 18e angeordnet sein, wobei sich eine derartige Anordnung entlang einer Raumrichtung, beispielsweise entlang der x- Richtung mehrfach wiederholen kann. Das Substrat kann eine Vielzahl von Öffnungen 26 aufweisen, die mit einer Vielzahl von Teilkavitäten 38a-c bzw. 42a-b verbunden sind, wobei bspw. jeweils eine Öffnung 26 mit einer Teilkavität 38a-c oder 42a-b verbunden sein kann. Ein Volumen jeder Teilkavität 38a-c oder 42a-b kann von einem Auslenkungszustand zumindest eines entlang der iate- ralen Bewegungsrichtung 24 verformbaren Elements 22 beeinflusst sein. Benachbarte Teilvolumina können komplementär während eines ersten oder zweiten Zeitintervalls vergrößerbar bzw. verkleinerbar sein. Vereinfacht ausgedrückt, kann ein Teilvolumen einer Teilkavität 38a-c oder 42a-b verkleinert werden, während ein benachbartes Teilvoiumen einer Teilkavität 42a-b bzw. 38a-c vergrößert wird.
In einem Bereich einer oder mehrerer Öffnungen 26 können Stabstrukturen 44 angeordnet sein. Die Stabstrukturen 44 können so angeordnet sein, dass ein Passieren des Volumenstroms 12 in eine oder zwei Richtungen ermöglicht ist, wohingegen ein Eindringen oder Heraustreten von Partikeln in die Kavität oder aus der Kavität reduziert oder verhin- dert ist. Eine Form der Schichten 32a, 32b, 34a, 34b und/oder 36 kann beispielsweise während eines Herstellungsprozesses durch selektives Entfernen und/oder selektives Anordnen oder Aufwachsen von Schichten beeinflusst sein. Beispielsweise können die Stabstrukturen 44 basierend auf einem selektiven Ätzprozess aus den Schichten 34a, 36 und/oder 34b herausgebildet werden. Ferner kann während des Herstellungsprozesses eine Form der Kavitäten 38a-c und 42a-b beeinflusst werden. Beispielsweise können Wandungen einer oder mehrerer Schichten 32a, 32b, 34a, 34b und/oder 36 an eine Bewegung der verformbaren Elemente der elektromechanischen Wandler 8a-f angepasst sein, beispielsweise um einen zumindest näherungsweise konstanten und/oder geringen Abstand zwischen den verformbaren Elementen und dem Substrat 14 zu ermöglichen.
Benachbart oder an den Stabstrukturen oder Stabeiementen kann eine Abdeckung 43 angeordnet sein. Die Abdeckung 43 kann benachbart zur Kavität 16 und/oder mittels der Stabelementen 44 hiervon getrennt angeordnet sein. Die Abdeckung kann bspw. ein Fließmaterial (Mesh-Material), ein Schaumstoffmaterial und/oder ein Papiermaterial um- fassen. Die Abdeckung kann ein Eindringen von Partikeln in die Kavität 16 oder ein Austreten aus der Kavität 16 mit geringerem Durchmesser als einem Abstand zwischen Stabstrukturen ermöglichen. Alternativ kann die Abdeckung 43 auch benachbart oder an einer Öffnung 26 angeordnet sein, die die Stabelemente 44 nicht aufweist. Bewegt sich ein freies Ende der bewegbaren Elemente, beispielsweise in einer gebogenen Bahn und/oder einer Kreisbahn, so kann das Substrat 14 in einem Bereich, in welchem sich das bewegliche Ende bewegt, eine parallele oder ähnliche Form aufweisen. Fig. 2b zeigt eine schematische Aufsicht des MEMS-Wandlers 20 aus Fig. 2a. Die elekt- romechanischen Wandler 18a-f können beispielsweise mit dem Substrat 14 an Elementen 46a-c kraft- oder form schlüssig verbunden sein. Beispielsweise können ein oder mehr verformbare Elemente der elektromechanischen Wandler 18a-f einstückig mit den Elementen 46a-c gebildet sein. Die Elemente 46a-c können in einer Ebene der Schicht 36 angeordnet sein oder Teile der Schicht 36 sein. Eine Ausdehnung der verformbaren Elemente 22 der elektromechanischen Wandler 18a-f kann beispielsweise kleiner oder gleich sein als eine Ausdehnung der Schichten 34a, 36 und 34b entlang der z-Richtung. Das bedeutet, dass die verformbaren Elemente 22 der elektromechanischen Wandler 18a-f kontaktfrei zu der Schicht 32a und/oder 32b angeordnet und bewegbar sein können. AI- ternativ kann zumindest ein verformbares Element auch kontaktbehaftet verformt werden. Bspw. kann zwischen dem zumindest einen verformbaren Element und einer benachbarten Schicht, etwa die Schicht 32a und/oder 32b eine reibungsarme, d. h., einen geringen Reibungskoeffizienten aufweisende, Schicht angeordnet sein. Die reibungsarme Schicht kann eine fluidische Trennung zwischen Teilkavitäten ermöglichen, wie es bspw. für die Wandstruktur 49 beschrieben ist. Ein Reibungskoeffizient kann bspw. um 10 %, 20 % oder 50 % geringer sein, als ein Reibungskoeffizient der Schicht 32a und/oder 32b oder der Schicht 34a und/oder 34b. Eine Reibungskraft zwischen dem verformbaren Element 22 und angrenzenden Schichten kann geringer sein, als eine Kraft, die für eine Verformung des verformbaren Elementes 22 benötigt wird. Basierend auf einer reduzierten Rei- bungskraft kann bspw. eine von einem Aktor bereitzustellende Kraft geringer sein, so dass der Aktor leistungsärmer ausgeführt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann eine Empfindlichkeit des verformbaren Elementes 22 auf den Volumenstrom 12 erhöht werden. Die elektromechanischen Wandler 18b und 18c bilden beispielsweise Seitenwände der Teilkavität 42a (Kammer). Die bewegbaren Elemente 22 der elektromechanischen Wandler 18a-f können an den Elementen 46a-c formschlüssig befestigt sein. Zwischen einem auslenkbaren oder beweglichen Ende 52 der verformbaren Elemente 22 kann ein Abstand zu dem Substrat 14 bzw. zu Elementen 48a-d des Substrats 14 angeordnet sein. Das Ende 52 des verformbaren Elements 52 kann somit frei beweglich angeordnet sein. Ein oder mehrere verformbare Elemente 22 können aufgrund von Dimensionsverhältnis- sen, etwa einer Ausdehnung entlang der x-Richtung in einem Verhältnis zu einer Ausdehnung entlang der y-Richtung, vereinfacht ein Verhältnis Balkenbreite zu Balkenhöhe, besonders weit entlang der lateralen Richtung 24 auslenkbar sein. Sind die elektromechani- schen Wandler 18a-f beispielsweise als Aktoren ausgebildet, können diese Aktoren bei Anlegen eines entsprechenden Signals auslenkbar sein, d. h. verkrümmt werden, so dass sich beispielsweise das Ende 52 des verformbaren Elements 22 auf einer gebogenen Bahn bewegt. Entsprechend dem Verlauf dieser Bahn kann zumindest eines der Elemente 48a-d so ausgebildet sein, dass ein Abstand zwischen und dem Ende 52 auch bei Auslenkung des verformbaren Elements 22 in etwa konstant und/oder klein bleibt.
Der MEMS-Wandler 20 kann zumindest eine Wandstruktur 49 aufweisen. Eine Bewegung der Aktoren, elektromechanischen Wandler 18a-e oder verformbaren Elemente kann bspw. für eine Kammer 42a-b zur Folge haben kann, dass aufgrund von durch die Bewegung ausgelösten Fluidströmungen zur Befüllung der Kammer 38a-c eine fluidmechani- sehe Kopplung zu den benachbarten Kammern auftreten kann. Basierend auf der fluid- mechanischen Kopplung kann ein Fluidstrom 57 zwischen den Teilkavitäten 42a und 38b auftreten. Um diese direkte Kopplung bzw. den Fluidstrom 57 zu reduzieren oder zu vermeiden, können ein oder mehrere Trennwände (Wandstrukturen 49), die ggf. unbeweglich ausgestaltet sein können, zur Trennung benachbarter Kammerpaare 38 und 42 angeord- net sein. Die Wandstrukturen können einfach realisiert werden, beispielsweise an den entsprechenden Stellen als ein Element, das durchgängig aus den Schichten 34a, 36 und 34b gebildet ist. Beispielsweise können während eines selektiven Ätzverfahrens derartige Strukturen angeordnet bleiben. Die Wandstruktur 49 kann außerdem die mechanische Stabilität des MEMS-Wandlers 20 erhöhen und kann einen Bondvorgang zwischen den einzelnen Schichten erleichtern. Die zumindest eine Wandstruktur 49 kann Öffnungen aufweisen oder vollständig durchgängig gestaltet sein, was es ermöglicht, durch das Her- ein-/Herausströmen des Fluids aus den Kammern 38a-c und 42a-b entstehende Dämpfung gezielt zu modifizieren, insbesondere zur Einstellung der Breite der Resonanzkurve bzw. allgemein zur Einstellung von dynamischen Eigenschaften der Aktor- Kammersysteme.
Wird die Fig. 2b zusammen mit der Fig. 1 betrachtet, so kann ein Volumen der Kavität 16 und/oder der Vielzahl von Teilkavitäten 38a-c und 42a-b durch die Schichten 32a und 32b und Seitenbereichen 53a und 53b des Substrats 14 beeinflusst oder bestimmt sein. Die Seitenbereiche 53a und 53b können zwischen den Schichten 32a und 32b angeordnet sein. Die verformbaren Elemente der elektromechanischen Wandler 18a-c können aus- gebildet sein, um zumindest in einem Abschnitt 55 der lateralen Bewegungsrichtung 24 eine Bewegung parallel zu der ersten Schicht 32a und/oder 32b auszuführen. Das bedeutet, dass sich das verformbare Element zwischen den Schichten 32a und 32b verformen oder bewegen kann.
Eine Resonanzfrequenz einer Kavität oder Teilkavität kann von einer Geometrie des Volumens, von einer Frequenz einer Ansteuerung der elektromechanischen Wandler und/oder von einer mechanischen Resonanzfrequenz des oder der verformbaren Elemente beeinflusst sein. Von einander zumindest teilweise fluidisch getrennte (Teil-)Kavitäten, etwa mittels einer Wandstruktur 49, einer Anordnung einer reibungsarmen Schicht, oder basierend auf einer Anordnung in verschiedenen EMS-Wandlern können verschiedene Resonanzfrequenzen aufweisen und/oder mit verschiedenen Frequenzen angesteuert werden, etwa mittels einer Steuervorrichtung. Basierend auf verschiedenen Ansteuerfrequenzen und/oder verschiedenen Resonanzfrequenzen kann ein Mehr-Wege- Lautsprecher erhalten werden. Resonanzfrequenzen von Kavitäten werden bspw. im Bereich der Hohlraumresonatoren oder Helmholtz-Resonatoren genutzt.
Fig. 2c zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des MEMS-Wandlers 20, bei dem die elektromechanischen Wandler 18a-f einen verformten Zustand des verformbaren Elements aufweisen. Beispielsweise sind die verformbaren Elemente bis zu einer maximalen Auslenkung ausgelenkt. Verglichen mit der Darstellung der Fig. 2a ist ein Volumen der Teilkavität 42a basierend auf der Verformung (Verbiegung) der verformbaren Elemente (Balken) verringert. Ist beispielsweise eine Dicke (Abmessung entlang der z-Richtung oder Dickenrichtung) der Schichten 34a und 34b (Abstandshalter) gering, kann bei einer Bewegung der elektromechanischen Wandler 18a-f eine Umströmung der elektromechanischen Wandler 18a-f bzw. der verformbaren Elemente vernachlässigbar sein. Dies kann ebenfalls für einen Abstand zwischen dem elektromechanischen Wandler 18a-f und dem Substrat, beispielsweise dem Element 48, gelten. Basierend auf der Verformung des verformbaren Elements kann ein Volumen des Fluids, beispielsweise ein Luftvolumen, das der Volumendifferenz der Teilkavitäten 42a in den Fig. 2a und 2c entsprechen kann, an eine Umgebung des MEMS-Wandlers 20 abgegeben werden, etwa in Form des Flu- idstroms (Volumenstroms) 12.
Eine Abmessung der Abstandsschicht 34a oder 34b entlang der z-Richtung, entlang der die erste und zweite Abstandsschicht 34a und 34b an der Zwischenschicht 36 angeordnet sind, kann einen Wert in einem Bereich von zumindest 1 nm und höchstens 1 mm, bevor- zugt in einem Bereich von zumindest 20 nm und höchstens 100 μηι oder besonders bevorzugt in einem Bereich von zumindest 50 nm und höchstens 1 pm aufweisen. Ist beispielsweise die Abmessung der Abstandsschichten 34a und 34b gering gegenüber einer Abmessung der elektromechanischen Wandler 18a-f entlang der z-Richtung, so kann ein Ausmaß des Fluidstroms 57, der den elektromechanischen Wandler 18a-f von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite (beispielsweise von einer positiven x-Richtung zu einer negativen x-Richtung oder andersherum) umströmt, während das verformbare Element sich verformt, kleiner sein als ein Ausmaß des Volumenstroms 12 in der Kavität. Die Umströmung bzw. der Fluidstrom 57 kann beispielsweise basieren auf einer zumindest teilweisen Entfernung der Abstandsschichten 34a und/oder 34b in einem Bereich, in dem sich der elektromechanische Wandler 18a-f bewegt, resultieren. Vereinfacht ausgedrückt kann basierend auf dem Abstand zwischen dem elektromechanischen Wandler und benachbarten Schichten ein Fluidstrom um bewegliche Elemente herum resultieren (fluidische Verluste). Diese können verglichen mit dem Fluidstrom 12 gering sein. Beispielsweise können sie kleiner sein als das Ausmaß des Volumenstroms dividiert durch den Wert 10, dividiert durch den Wert 15 oder dividiert durch den Wert 20.
Die elektromechanischen Wandler können sich paarweise auf einander zu und von ei- nander wegbewegen. So können sich bspw. die elektromechanischen Wandler 18a und 18b gegenüber dem Zustand in Fig. 2b paarweise von einander weg bewegen und in einem nachfolgenden Zeitintervall paarweise auf einander zu bewegen. Gleichzeitig können sich bspw. die elektromechanischen Wandler 18b und 18c paarweise auf einander zu oder von einander weg bewegen. Eine derartige jeweils paarweise komplementäre Bewe- gung von elektromechanischen Wandlern, die auch dann möglich ist, wenn die Wandler nicht benachbart zu einander angeordnet sind, kann eine zumindest teilweise aber auch vollständige Kompensation von Inertialkräften ergeben, so dass ein geringes Maß an Vibrationen oder keine Vibrationen in dem ME S-Wandler erhalten wird bzw. vom MEMS- Wandler an die Umgebung übertragen wird.
In anderen Worten kann es ein besonderes Merkmal des bisher beschriebene Kammeransatzes darstellen, dass sich die Aktoren paarweise stets gegenläufig aufeinander zu bzw. weg bewegen. Es entstehen also (bei entsprechend sorgfältiger Auslegung der beiden jede Kammerwand begrenzenden aktiven Biegeaktoren) keine Vibrationen, die z. B. beim Einsatz als Hörgerät oder In-Ear-Kopfhörer (Im-Ohr-Kopfhörer) störend sein würden. Der Fluidstrom 12 kann beispielsweise die Öffnung 26a und/oder 26b passieren. Die Öffnungen 26a und 26b können gieich ausgebildet sein oder an eine Geometrie der benachbarten Teilkavität 38a bzw. 42a angepasst sein. Die Öffnung 26a kann bspw. entlang einer axialen Richtung (etwa die y-Richtung) einen veränderlichen Querschnitt aufweisen, etwa eine Abmessung entlang der x-Richtung. Die Abmessung der Öffnung 26b entlang der x-Richtung kann in eine Richtung hin zu einem Inneren des MEMS-Wandlers 20, d. h. hin zu der Kavität oder Teilkavität 42a abnehmen. Alternativ oder zusätzlich kann die Öffnung 26 entlang einer weiteren Richtung, etwa einer z-Richtung (Dickenrichtung) senkrecht zu der axialen Richtung y eine veränderliche Abmessung oder einen veränderlichen Querschnitt aufweisen. Der veränderliche Querschnitt kann von einer Außenseite des MEMS-Wandlers 20 in eine Richtung hin zu der Kavität 16 abnehmen. Ein sich verjüngender Querschnitt oder eine sich verringernde Abmessung der Öffnung 26 von der Außenseite des MEMS-Wandlers 20 in Richtung der Kavität 16 entlang einer oder mehrerer Richtungen x und/oder z kann als trichterförmige Öffnung bezeichnet werden.
Die ggf. trichterförmige Öffnung 26b kann als Vorrichtung zur impedanzanpassung nutzbar sein. Eine Impedanzanpassung kann beispielsweise bei einer Verwendung des MEMS-Wandlers 20 als Lautsprecher vorteilhaft sein. Eine Ausgestaltung oder Geometrie der Öffnung 26b kann analog zu makroskopischen Lautsprechern mit Abmessungen von mehreren Zentimetern ausgeführt sein. Eine Form der Öffnung 26b kann ermöglichen, dass die eigentliche Schallabstrahlung durch die äußere Fläche des Trichters definiert ist. Die Öffnung 26b kann beispielsweise durchgängig in den strukturierten Schichten 34a, 36 und 34b gebildet sein. Ein Stabgitter 54, das zumindest ein Stabelement 44 umfasst, kann Öffnungen bzw. Zwischenräume zwischen Stabelementen 44 und/oder zwischen Sta- belementen 44 und dem benachbarten Substrat aufweisen. Die Zwischenräume können so gebildet sein, dass das Fluid durch sie hindurch strömen kann.
Das Stabgitter 54 kann einen Schutz gegen ein Eindringen von Partikeln in die Kavität des MEMS-Wandlers 20 darstellen. Eine Breite der Öffnungen des Stabgitters 54, d. h. ein Abstand zwischen Stabelementen 44, kann so ausgeführt sein, dass der Fluidstrom 12 strömungstechnisch in einem gewünschten Maß beeinflusst oder unbeeinflusst ist. Beispielsweise oder idealerweise kann der Abstand zwischen den Stabelementen 44 kleiner sein als kleinste Spaltabstände im MEMS-Wandler 20, so dass das Stabgitter eine hohe Anzahl von oder gar alle relevanten Partikel filtern kann. Ein Spaltabstand kann bspw. einen Abstand eines verformbaren Elementes 18a-c zu einer Schicht 32a oder 32b be- schreiben. Der Abstand zwischen den Stabelementen 44 kann beispielsweise geringer sein als 5 pm, als 1 pm, als 0,1 pm oder 0,05 pm.
Abmessungen der Stabelemente 44 entlang der Raumrichtungen können so implemen- tiert sein, dass die Stabelemente 44 keine Resonanzen im Hörschallbereich, d. h. in einem Frequenzbereich von zumindest 16 Hz und höchstens 22 KHz aufweisen. Obwohl die Stabelemente 44 so dargestellt sind, dass sie an einer Außenseite des MEMS- Wandlers 20 angeordnet sind, etwa in einem Bereich, an dem die Öffnung 26a oder 26b eine maximale Abmessung entlang der x-Richtung aufweist, können ein oder mehrere Stabelemente auch an einer anderen Stelle der Öffnung 26a oder 26b angeordnet sein, etwa in einem verjüngten Bereich der Öffnung 26a bzw. 26b.
Durch die Verformung der verformbaren Elemente kann das Volumen einer Teilkavitat 42a verringert werden. Während eines gleichen Zeitintervalls kann sich ein Volumen der Kammer (Teilkavitat) 38a erhöhen. Die Teilkavitat 38a kann in gleicher oder ähnlicher Weise wie die Teilkavitat 42a über eine trichterförmige Öffnung 26b und/oder ein Stabgitter 54 umfassend ein oder mehrere Stabelemente 44 mit der Umgebung des MEMS- Wandlers 20 verbunden sein. Elektromechanische Wandler 18a-f können ausgebildet sein, um mit einer von einander verschiedenen Frequenz angesteuert zu werden oder eine von einander verschiedene Resonanzfrequenz aufweisen. Ein Volumen einer jeden Teilkavitat kann sich mit einer von einander verschiedenen Frequenz oder mit zumindest teilweise gleichen Frequenzen ändern.
Die Öffnung 26a und die Öffnung 26b können an oder in einander entgegengesetzt im Raum angeordneten Seiten des MEMS-Wandlers 20 angeordnet sein. Bspw. kann auf jeweils einer Seite, die die Öffnung 26a oder 26b aufweist, mittels der Teilkavitäten 42a bzw. 38a oder einer Vielzahl derartiger Teilkavitäten der Fluidstrom ausgestoßen 12 oder angesaugt werden kann. Das bedeutet, dass der Fluidströmung 12 in entgegengesetzte Richtungen erzeugbar ist. Beispielsweise kann in einem ersten Zeitintervall der Volumen- ström 12 in eine negative y-Richtung aus der Öffnung 26a ausgestoßen und in die Teilkavitat 38a eingesaugt werden. In einem zweiten Zeitintervall können sich diese Richtungen umkehren. Ein Strömungskurzschluss entlang des MEMS-Wandlers 20 kann so verhindert oder ausgeschlossen werden. Die verformbaren Elemente (Balken) der elektromechanischen Wandler 8a-f können ausgebildet sein, um sich gemäß einem von außen zugeführten Signal zu verkrümmen. Eine Frequenz, mit der die Verkrümmung erfolgt, kann eine Frequenz, mit der der Volumenstrom 12 generiert wird und/oder oszilliert und mithin eine Schailfrequenz beeinflussen oder bestimmen. Eine über das zugeführte Signal bestimmte Amplitude der Schwingung kann bei einer oder mehreren (Resonanz-Frequenzen) eine Amplitude des Volu- menstroms 12 beeinflussen oder bestimmen und mithin Auswirkungen auf den Schallpegel haben.
Ebenfalls kann mindestens eine Kammer (Kavität oder Teilkavität) als sensorisches Element fungieren und eine andere Kammer als aktorisches Element fungieren. Das bedeu- tet dass der E S-Wandler zumindest ein sensorisches und zumindest ein aktorisches verformbares Element umfassen kann. Die Bewegung der Balken wird detektiert und ausgewertet. So können bspw. die elektromechanischen Wandler 18a und 18b als Aktoren angesteuert werden, während die elektromechanischen Wandler 18c und/oder 18d als Sensoren zur Detektion innerhalb des Fluids genutzt werden können. Zur Detektion kön- nen elektrostatische (kapazitive), piezoelektrische oder piezoresistive Sensorelemente integriert sein. Ein solches Element kann als Mikrofon bzw. Drucksensor eingesetzt werden. Ein solches integriertes Mikrofon bzw. ein solcher Drucksensor kann auch für die Kontrolle und Steuerung der Eigenschaften der Lautsprecherkammern (Aktoren) bzw. Ultraschallsenderkammer bzw. Pumpenkammer eingesetzt werden. Dazu ist eine ent- sprechende Elektronik als Steuerkreis/Kontrollkreis einzusetzen.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele für die elektromechanischen Wandler bzw. Aktoren erläutert. Obwohl der MEMS-Wandler 20 so beschrieben wurde, dass ein unausgelenkter bzw. nicht-aktuierter Zustand unausgelenkte verformbare Elemente auf- weist, können die Zustände auch wechselseitig vertauschbar sein. Das bedeutet, dass in einem ersten, unaktuierten Zustand, die verformbaren Elemente verformt oder gekrümmt sein können und sich basierend auf einem Ansteuersignal in einen weniger gekrümmten, stärker gekrümmten oder geraden Zustand verformen können. Obwohl obige Ausführungen erläutern, dass ein elektrisches Signal an den MEMS- Wandler 20 herangeführt wird, etwa von einer Steuervorrichtung, kann auch der Volumenstrom 12 zu einer Verformung der verformbaren Elemente führen, wobei die Verformung mittels eines elektrischen Signals an dem MEMS-Wandler 20 erhalten werden kann, d. h. der MEMS-Wandler 20 ist auch als Sensor konfigurierbar. Nachfolgend wird Bezug genommen auf vorteilhafte Weiterbildungen des verformbaren Elements. Einer oder mehrere elektromechanische Wandler können verformbare Elemente gemäß den nachfolgend beschriebenen Weiterbildungen aufweisen. Fig. 3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines verformbaren Elements 30, das als Bimorph ausgeführt ist. Das verformbare Element 30 weist eine erste Schicht 56 und eine zweite Schicht 58 auf, die zumindest stellenweise, vorteilhafterweise ganzflächig, fest miteinander verbunden sind. Die erste Schicht 56 und die zweite Schicht 58 sind ausgebildet, um sich basierend auf einem mechanischen, physikalischen oder chemi- sehen Einfluss unterschiedlich stark zu verformen, etwa auszudehnen oder zu kontrahieren. Beispielsweise können die Schichten 56 und 58 voneinander verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Schicht 56 oder die Schicht 58 ausgebildet sein, um sich basierend auf einem elektrischen Signal, das an die entsprechende Schicht geführt wird, auszudehnen oder zu kontrahieren. Bei- spielsweise kann diese Schicht Piezomaterialien aufweisen.
Voneinander verschiedene Kontraktionen oder Ausdehnungen der Schichten 56 und 58 können zu einer Verformung des verformbaren Elements 30 entlang einer Aktuierungs- richtung 59 oder 59' führen. Die Aktuierungsrichtung kann parallel zu der lateralen Bewe- gungsrichtung 24 angeordnet sein. Die Aktuierungsrichtung kann eine Richtung sein, entlang der das verformbare Element 30 durch Anlegen einer positiven elektrischen Spannung auslenkbar ist.
Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Verformung entlang einer weiteren lateralen Bewegungsrichtung 24' nutzbar sein, die beispielsweise basierend auf einer Querkontraktion oder Querexpansion des verformbaren Elements 30 bzw. der Kontraktion oder Expansion einer der Schichten basiert. Das bedeutet, dass das verformbare Element 30 ausgebildet sein kann, um sich mit seiner Balkenstruktur entlang einer axialen Richtung (etwa die y-Richtung bzw. in-plane) der Balkenstruktur zu verkrümmen. Dies kann basie- rend auf einer Hin- und Her-Bewegung erfolgen, also entlang der lateralen Bewegungsrichtung 24 und entlang einer entgegengesetzten Richtung.
In anderen Worten kann der Bimorph einem Balken entsprechen, der aus zwei Schichten besteht. Die Schichten sind beispielsweise in einer Richtung (beispielsweise vertikal) zu- einander angeordnet. Eine passive Schicht (beispielsweise die Schicht 56) kann mit einer aktiven Schicht (beispielsweise die Schicht 58) fest verbunden sein. Durch Anlegen eines geeigneten Signals kann in der aktiven Schicht 58 eine mechanische Spannung generiert werden, welche zur Kontraktion oder Expansion der Schicht 58 führt. Eine Richtung der Längenänderung der Schicht 58 kann so gewählt werden, dass sich der Bimorph lateral in die eine (Kontraktion) oder andere (Expansion) Richtung verbiegt.
Fig. 4a zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines verformbaren Elements 40, das drei Bimorphstrukturen 30a-c aufweist, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben sind. Eine schematische Anordnung des verformbaren Elements 40 im Raum entlang der x-, y- und z-Richtung ist beispielhaft (jedoch nicht einschränkend) so darge- stellt, wie das verformbare Element 40 beispielsweise in dem MEMS-Wandler 10 oder 20 angeordnet werden kann. Die verformbaren (Teil-)Elemente 30a-c können voneinander verschiedene Abmessungen aufweisen, beispielsweise entlang der x,- y- oder z-Richtung. Beispielsweise können die verformbaren Elemente 30a und 30c eine gleiche Ausdehnung entlang der y-Richtung aufweisen. Die Aktuierungsrichtungen 59a-c der verformbaren Elemente 30a-c kann bspw. alternierend oder eine wechselseitige Ausrichtung aufweisend angeordnet sein, bspw. in positiver/negativer/positiver x-Richtung. Vereinfacht kann dies so verstanden werden, dass die verformbaren Elemente 30a und 30c eine gleiche Länge aufweisen. Das verformbare Element 30b kann eine hiervon verschiedene Länge aufweisen. Beispielsweise kann eine Länge des verformbaren Elements 30b doppelt so lang sein wie die vergleichbare Länge des Elements 30a oder 30c. Zwischen den verformbaren Elementen 30a-c können gemäß weiterer Ausführungsbeispiele auch weitere Elemente angeordnet sein, beispielsweise Federelemente.
Eine Richtung, entlang der sich die verformbaren Elemente 30a-c beim Anlegen einer gleichen oder vergleichbaren Größe (etwa ein Vorzeichen einer elektrischen Spannung) auslenken, kann entlang der Länge des verformbaren Elements 40 alternierend sein. Dies ermöglicht einen alternierenden Krümmungsverlauf. Obwohl das verformbare Element 40 so dargestellt ist, dass es drei verformbare Elemente 30a-c umfasst, können zwei verformbare Elemente oder mehr als drei verformbare Elemente 30 angeordnet sein.
Fig. 4b zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des verformbaren Elements 40 in einem ausgelenkten Zustand. Die Schichten 58a-c sind beispielsweise kontrahiert, so dass entlang eines axialen Verlaufs (y-Richtung) eine Mehrfachkrümmung resultiert. In anderen Worten können drei in Fig. 3 dargestellte Baiken in Richtung ihrer Ausdehnung aneinandergesetzt angeordnet sein. Dies kann so erfolgen, dass ein erster Balken und ein dritter Balken (30a und 30c) bei entsprechendem Signal eine Krümmung in eine erste Richtung und der zweite Balken (30b) eine Krümmung in die andere Richtung aufweist. So kann ein Aktor erhalten werden, der ausgehend von seiner gestreckten Form, wie sie in Fig. 4a dargestellt ist, ohne anliegendes Signal sich mit einem entsprechenden Signal S-artig verformt, wie es in Fig. 4b dargestellt ist. Die Konfiguration mit Signal und ohne Signal ist wechselseitig vertauschbar. So können die verformbaren Elemente 30 beispielsweise eine Vorauslenkung oder Vorspannung aufweisen, die basierend auf dem anliegenden Signal hin zu einer reduzierten Krümmung oder geraden Erstreckung des verformbaren Elements 30 und/oder 40 führt. Beispielsweise kann angenommen werden, dass die Krümmungen der einzelnen Balken 30a-c bis auf das Vorzeichen identisch sind und eine Länge des ersten und dritten Balkens 30a und 30c jeweils in etwa einem Viertel einer Gesamtlänge des verformbaren Elements entspricht und wobei eine Länge des mittleren Balkens 30b in etwa einer Hälfte der Länge des verformbaren Elements 40 entspricht.
Fig. 4c zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Anordnung zweier beidseitig eingespannter verformbarer Elemente 40a und 40b, die benachbart zueinander angeordnet sind, so dass zwischen den verformbaren Elementen die Teilkavität 38 angeordnet ist. Die durchgezogenen Linien zeigen bspw. einen aktuierten Zustand der verformbaren Elemen- te 40a und 40b während die gestrichelten Linien einen unaktuierten Zustand zeigen, wobei diese Beschreibung der verformbaren Elemente wechselseitig vertauschbar ist, da der unaktuierte Zustand durch die Herstellung beliebige Form annehmen kann.
Die verformbaren Elemente 40a und 40b können so gebildet sein, dass sie in dem unak- tuierten Zustand eine Krümmung aufweisen. Ferner können die verformbaren Elemente 40a und 40b aus drei Segmenten 30a-1 bis 30c-1 bzw. 30a-2 bis 30c-2 gebildet sein, die eine wechselseitige Krümmung während der Aktuierung ausführen. Jedes Segment, etwa das mittlere Segment 30b-a oder 30b-2 kann auch aus zwei oder mehr Segmenten gebildet sein. Verglichen mit den Darstellungen der Fig. 4a und 4b können die Segmente 30a- 1 , 30b-1 und 30c- zueinander und mit jedem anderen Segment eine von einander verschiedene Länge aufweisen. Die Länge kann an eine gewünschte Form anpassbar sein, die bei einer Aktuierung erhalten werden soll. Die S-förmigen Aktoren besitzen den sehr großen Vorteil, dass mit Ihnen nicht nur ein großer planarer Füllfaktor erreicht werden kann, sondern sie dabei auch zweiseitig eingespannt werden können. Durch die zweisei- tige Einspannung wird eine technologisch nie zu vermeidende Vorauslenkung der Balken aufgrund von Schichtspannungsgradienten sehr deutlich verringert. Damit können die Abstände zum unteren und oberen Deckel des Substrats sehr gering gehalten werden, was die Strömungs-/Druckverluste überproportional verringert und damit die Effizienz von Lautsprechern, Ultraschallwandlern, Mikrophonen und Pumpen nicht nur deutlich erhöht, sondern deren korrekte Funktionsweise unter Umständen erst ermöglicht. Gemäß weite- ren Ausführungsbeispielen kann auch lediglich eines der verformbaren Elemente 40 angeordnet sein, etwa in dem MEMS-Wandler 10.
Fig. 5 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen MEMS-Wandler 50, bei dem die elekt- romechanischen Wandler 18a-c verglichen mit dem MEMS-Wandler 20 eine veränderte Konfiguration aufweisen. Die elektromechanischen Wandler 18a-c umfassen jeweils ein erstes und ein zweites verformbares Element 22a und 22b, 22c und 22d bzw. 22e und 22f. Die verformbaren Elemente sind einander gegenüberliegend angeordnet. Auslenkbare Enden der Balkenelemente sind einander zugewandt angeordnet. Bereiche, an denen die verformbaren Elemente 22a-f mit dem Substrat verbunden sind, sind einander abge- wandt angeordnet.
Die elektromechanischen Wandler 18a-c umfassen jeweils ein Plattenelement 62a-c, das mit den jeweiligen verformbaren Elementen 22a und 22b, 22c und 22d bzw. 22e und 22f verbunden ist. Das jeweilige Plattenelement 62a-c kann mit den auslenkbaren Enden der jeweiligen verformbaren Elemente 22a-f verbunden sein.
Die verformbaren Elemente 22a-f können ganz oder teilweise als verformbares Element 30 oder 40 ausgeführt sein oder eine andere Konfiguration aufweisen. Unterschiedliche Schraffierungen der verformbaren Elemente 22a und 22b, 22c und 22d bzw. 22e und 22f deuten an, dass die Verformung des jeweiligen verformbaren Elements voneinander verschieden ist. Die verformbaren Elemente eines elektromechanischen Wandlers 18a-c können so angeordnet sein, dass diese unabhängig von einer jeweiligen Ausführung des verformbaren Elements 22a-f eine Auslenkung der auslenkbaren Enden entlang einer gleichen Raumrichtung ausführen.
Beispielsweise kann von dem in der Fig. 5 dargestellten unausgelenkten Zustand eine Ansteuerung dazu führen, dass die auslenkbaren Enden der verformbaren Elemente 22a und 22b entlang einer positiven x-Richtung ausgeführt werden. Ferner kann eine Ansteuerung der verformbaren Elemente 22c und 22d bewirken, dass eine Auslenkung der jewei- ligen auslenkbaren Enden entlang einer negativen x-Richtung ausgeführt wird. Dies ermöglicht, dass sich während dieser Ansteuerung die Plattenelemente 62a und 62b aufei- nander zubewegen, so dass die Teiikavität 42a basierend auf der Bewegung der Platteneiemente verkleinert wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein Unterdruck in der Ka ität 42a dazu führen, dass sich die Plattenelemente 62a und 62b aufeinander zubewegen, so dass eine Verformung der verformbaren Elemente 22a-d erhalten wird. Alternativ oder zusätzlich ist ebenfalls vorstellbar, dass ein oder mehrere verformbare Elemente 22a-d elektrisch passiv ausgestaltet sind. Beispielsweise kann an einem oder mehreren Plattenelementen 62a-c ein elektrisches Potential aniegbar sein, so dass basierend auf einem elektrischen Potential der Plattenelemente 62a und 62b eine anziehende oder abstoßende Kraft zwischen den Plattenelementen 62a und 62b erhalten werden kann, die eine Be- wegung der Plattenelemente 62a und 62b und mithin eine Verformung der verformbaren Elemente 22a-d bewirkt. Alternativ oder zusätzlich können gleichzeitig oder zeitversetzt die verformbaren Elemente 22c-f und/oder die Plattenelemente 62b und 62c angesteuert werden, um eine Verformung der verformbaren Elemente 22c-f und eine Veränderung des Volumens der Teiikavität 38a zu erhalten.
In anderen Worten zeigt Fig. 5 eine Variante der in den Fig. 2a-c dargestellten Konfiguration, bei der für die Verengung bzw. Erweiterung jeder Kammer (Kavitäten 42a und 38a) vier Biegebalken 22a-d bzw. 22c-f eingesetzt werden. Im Zusammenhang mit den Fig. 2a- c ist dies basierend auf jeweils zwei Biegebalken (verformbaren Elementen) beschrieben. Fig. 5 zeigt dabei einen nicht-aktuierten Zustand. Dabei sind der aktuierte und nicht- aktuierte Zustand wechselseitig austauschbar. So kann generell jedes ansteuerbare verformbare Element bei nicht anliegendem Signal verformt sein und seine Verformung signalabhängig verändern, wozu auch das Erreichen eines gestreckten (nicht ausgelenkten) Zustands als Sonderfall gehört.
Vertikal (bspw. entlang der y-Richtung) gegenüberliegende Biegebalken, etwa die verformbaren Elemente 22a und 22b bzw. 22c und 22 d, können jeweils über einen biegbaren Steg umfassend die Elemente 64a und 64b miteinander verbunden sein. In einem Mittenbereich des so erhaltenen Steges kann eine verhältnismäßig steife Verlängerung, das Element 66, angeordnet sein. An diesem kann wiederum das Plattenelement 62b angeordnet sein, das steif oder möglichst steif ausgeführt ist. Bei einem Anlegen eines entsprechenden Signals können sich die Plattenelemente 62a-c parallel aufeinander zu- oder voneinander wegbewegen, um Volumina von Teilkavitäten zu verringern bzw. zu erhöhen. Die parallele Bewegung der Plattenelemente kann ermöglichen, dass das Volu- men der Teiikavität 42a im Grenzfall nuli beträgt, das bedeutet, die Plattenelemente 62a und 62b berühren sich. Verglichen mit einer Konfiguration, wie sie im Zusammenhang mit den Figuren 2a-c beschrieben ist, kann eine derartige Anordnung einen Volumenstrom des Fluids bereitstellen, der deutlich höher ist als der Volumenstrom des MEMS-Wandlers 20. Bei Verringerung des Volumens der Teilkavität 42a kann das Volumen der Teilkavität 38b entsprechend oder zumindest basierend darauf vergrößert werden. Die Zufuhr des Fluids kann, wie es im Zusammenhang mit dem MEMS-Wandler 20 beschrieben ist, durch eine Öffnung 26a, 26b bzw. 26c erfolgen. Die Elemente 64a und 64b können auch als Federelemente bezeichnet werden.
Die verformbaren Elemente (Biegebalken) 22a und 22b können so entworfen sein, dass sie sich bei anliegendem Signal nach rechts (positive x-Richtung) verkrümmen. Die verformbaren Elemente 22c und 22d können so entworfen sein, dass sie sich bei anliegendem Signal nach links (negative x-Richtung) verkrümmen. Beide Balkenarten (Schraffuren der verformbaren Elemente) können so ausgelegt sein, dass sie sich beispielsweise bei einem ersten Signal wie im Zusammenhang mit den Fig. 3 oder 4 verkrümmen und bei einem zweiten Signal in die entgegengesetzte Richtung verkrümmen. In diesem Fall kann sowohl die Verengung als auch die Erweiterung der Kammer (Teilkavität) auf die Ursprungsgröße unabhängig von der mechanischen Rückstellkraft aufgrund der Verbiegung der Balken erreicht werden. Das erste und das zweite Signal können beispielsweise eine positive und eine negative elektrische Spannung sein. Wird beispielsweise die Fig. 3 be- trachtet, können auch die Schichten 56 und 58 jeweils aktive Schichten sein bzw. an der Schicht 56 an einer der Schicht 58 abgewandten Seite eine weitere aktive Schicht angeordnet werden, wobei die beiden aktiven Schichten voneinander separat adressiert werden können, um eine Auslenkung in die eine oder die andere Richtung zu erhalten. Ein Volumen zwischen zwei gegenüberliegenden verformbaren Elementen, etwa die verformbaren Elemente 22c und 22d und dem mit ihnen verbundenen Plattenelement 62b kann sich bei einer Bewegung oder Verformung der Biegebalken ebenfalls ändern. Das Plattenelement 62 kann beispielsweise starr ausgeführt sein, Um einen verbesserten Druckausgleich zu ermöglichen, können die verformbaren Elemente 22c und/oder 22d und/oder verbindende Elemente 64 bzw. 66, die das Plattenelement 62b mit den verformbaren Elementen 22c und 22d verbinden, lokal ausgedünnt oder abgedünnt werden, um einen lokalen Strömungskanal bereitzustellen. Dies kann beispielsweise durch eine zusätzliche Strukturierung oder Ätzung erfolgen. Die verbindenden Elemente 64a, 64b und 66 können in einer T-Anordnung angeordnet sein. Das verbindende Element 66 kann ver- glichen mit den Elementen 64a und 64b eine hohe Steifigkeit aufweisen. Während einer Verformung der verformbaren Elemente 22c und 22d können sich somit bevorzugt die Elemente 64a und 64b verformen, um eine geradlinige Bewegung des jeweiligen Plattenelements zu ermöglichen.
Nachfolgend werden anhand der Fig. 6a-e vorteilhafte Ausführungsbeispiele beschrieben, in denen das Plattenelement 62a bzw. 62b mit jeweils gegenüberliegenden verformbaren Elementen 22a und 22b bzw. 22c und 22d verbunden ist.
Obwohl sich nachfolgende Ausführungen auf eine Verbindung der Plattenelemente mit den verformbaren Elementen beziehen, die jeweils gleich ausgestaltet sind, können von- einander verschiedene elektromechanische Wandler und/oder Verbindungen von einzelnen verformbaren Elementen zu einem Plattenelement voneinander verschieden ausgeführt werden. Die nachfolgend beschriebenen Details beschreiben nicht abschließende vorteilhafte Weiterbildungen und können für sich allein oder in Kombination miteinander oder weiteren vorteilhaften Ausführungsformen implementierbar sein.
Fig. 6a zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Konfiguration, bei der gerade ausgebildete Federelemente 68 zwischen dem Plattenelement 62a bzw. 62b und den verformbaren Elementen 22a und 22b bzw. 22c und 22d angeordnet sind. Die Federelemente 68 können aus einem Material der verformbaren Elemente 22a-d oder einem Material der Plattenelemente 62a oder 62b gebildet sein und/oder einstückig mit einem oder mehreren dieser Elemente gebildet sein. Beispielsweise können die Federelemente 68 einen rechten Winkel zu dem Plattenelementen 62a oder 62b aufweisen.
Fig. 6b zeigt eine alternative Konfiguration, bei der Federelemente 68' von auslenkbaren Enden der verformbaren Elemente mit einem Winkel α von weniger als 90°, beispielsweise 30 oder 40°, angeordnet sind. Dies ermöglicht einen verglichen mit der Konfiguration der Fig. 6a erhöhten Abstand der Kontaktpunkte an dem Plattenelement 62a, was zu einer verringerten Durchbiegung des Plattenelements 62a während der Bewegung führen kann.
Fig. 6c zeigt eine Konfiguration, bei der die Federelemente 62a mit einem Winkel α von mehr als 90° angeordnet sind. Dies kann beispielsweise zu verringerten Rückstellkräften der Federelemente 68 führen, wenn die Konfiguration, wie sie in Fig. 6a dargestellt ist, vergleichsweise herangezogen wird. Fig. 6d zeigt eine Konfiguration, bei der die Konfiguration aus Fig. 6a dahin gehend modifiziert ist, dass in Bereichen des Substrats 14 benachbart zu denen der elektromechani- sche Wandler 18a angeordnet ist bzw. das jeweilige verformbare Element mit dem Substrat 14 verbunden ist, ein Federelement 72a oder 72b angeordnet ist.
Das Federelement 72a und/oder 72b kann beispielsweise durch eine Aussparung (Hohlraum) 74a bzw. 74b in dem Substrat 14 zumindest teilweise bestimmt sein. Das bedeutet, dass beispielsweise durch die Aussparungen 74a oder 74b eine Steifigkeit des Substrats 14 lokal reduzierbar ist, so dass die Federelemente 72a bzw. 72b gebildet werden. Ob- wohl die Aussparungen 74a und 74b so dargestellt sind, dass sie sich über benachbarte verformbare Elemente 22a und 22c bzw. 22b und 22d in dem Substrat 14 hinweg erstrecken, kann die Aussprung 74a oder 74b auch lediglich benachbart zu einem verformbaren Element oder benachbart zu mehreren verformbaren Elementen angeordnet sein. Alternativ kann das Substrat 14 auch mehrere Aussparungen oder Federelemente aufweisen.
In anderen Worten zeigt Fig. 6d eine Konfiguration, bei der eine weitere Struktur in Form einer Biegefeder (Federelemente 72a und 72b) an der die verformbaren Elemente (Balken) befestigt sind, zu einer weiteren Reduktion der Zugspannung führen kann. Solche Biegefederelemente können beispielsweise auch in die starre Platte integriert werden, wie es in der Konfiguration der Fig. 6e gezeigt ist und im Zusammenhang mit den Aussparungen 76a-d beschrieben ist. Diese Elemente können sich im Fall der Auslenkung der Balken S-förmig verformen und die Zugbelastung auf die starre Platte reduzieren.
Fig. 6e zeigt eine Konfiguration von elektromechanischen Wandlern 18a und 18b, bei der die Plattenelemente 62a und 62b verglichen mit der Konfiguration, wie sie im Zusammenhang mit der Fig. 6d beschrieben ist, Aussparungen 76a-d benachbart zu einem Bereich aufweisen, an dem die Plattenelemente 62a bzw. 62b über die Federelemente 68 mit den verformbaren Elementen verbunden sind. Ein Abstand zwischen den Aussparungen 76a- d und einer den verformbaren Elementen zugewandten Seite der Plattenelemente 62a bzw. 62b kann eine Steifigkeit des Plattenelements 62a bzw. 62b in diesem Bereich beeinflussen. Die Aussparungen 76a-d ermöglichen verringerte Rückstellkräfte, die auf die verformbaren Elemente 22a-d wirken.
In anderen Worten zeigen die Fig. 6a-e Varianten für eine Ausgestaltung der beweglichen Elemente bzw. der elektromechanischen Wandler. Diese unterscheiden sich von einer Ausführung, wie sie im Zusammenhang mit der Fig. 5 beschrieben ist, beispielsweise o- der insbesondere dadurch, dass die in Fig. 5 dargestellten Elemente 64a oder 64b mit der Versteifung 66 hin zu den Federelementen 68 verschmolzen wurden. Die Konfiguration gemäß Fig. 6a kann eine höhere Steifigkeit gegenüber parasitären Verkippungen der Plattenelemente 62a bzw. 62b um eine Achse senkrecht zur Zeichenebene (x/y-Ebene) auf- weisen. Ähnliches kann für die Konfigurationen gemäß den Fig. 6b und 6c gelten. Alle drei Konfigurationen ermöglichen außerdem größere Auslenkungen der Biegebalken im Vergleich zu der Konfiguration aus Fig. 5. Dort kann das Element 64a bzw. 64b (biegbarer Steg) bei einer Auslenkung der Balken unter Zugspannung stehen, welche mit wachsender Auslenkung in einen zunehmenden mechanischen Widerstand für die Balkenauslen- kung der verformbaren Elemente resultieren kann. Bei den Varianten gemäß den Fig. 6a- c kann die mechanische Verbindung der beiden verformbaren Elemente deutlich weicher (weniger steif) ausgeführt sein, da die jeweils verbindenden Federelemente 68 mit einer Verbiegung reagieren können, die bei entsprechender Gestaltung dieser Elemente einen deutlich geringeren mechanischen Widerstand darstellen kann.
Die verbindenden Elemente/Federn 68 und/oder die im Zusammenhang mit der Fig. 5 beschriebenen Elemente/Federn 64a-b können auch eine gekrümmte oder mäanderför- mige Form aufweisen. Dies ermöglicht eine erhöhte Flexibilität in einer bevorzugten Richtung. Die Konfigurationen, wie sie im Zusammenhang mit den Fig. 6d und 6e beschrieben sind, ermöglichen eine Verringerung der Zugbelastung, die zu einer effektiven Versteifung des verformbaren Elements führen würde. Die in den Fig. 6a-e beschriebenen Konfigurationen vernachlässigen Ein- bzw. Auslassöffnungen 26. Sind diese Öffnungen angeordnet, können Aussparungen bzw. Federelemente in dem Substrat in Bereichen, in denen die Öffnung angeordnet ist, entfallen. Alternativ oder zusätzlich kann eines, mehrere oder jedes der durch zumindest eine Aussparung erhaltenen Federelemente 72a, 72b und/oder in den Plattenelementen 62a oder 62b basierend auf zwei oder mehreren voneinander getrennten und unabhängigen Federelementen realisiert sein.
Nachfolgend beschriebene Fig. 7a-c beschreiben beispielhaft mögliche Anordnungen von verformbaren Elementen und Plattenelementen.
Fig. 7a zeigt das verformbare Element 40, das mit dem Plattenelement 62 verbunden ist. Das Plattenelement 62 kann beispielsweise unmittelbar an dem verformbaren Element 40 angeordnet sein. Fig. 7b zeigt eine Konfiguration, bei der das verformbare Element 40a zwischen dem Substrat 14 fest eingespannt ist und ausgebildet ist, um sich entlang der lateralen Richtung 24 zu verformen. Zwischen dem verformbaren Element 40 und dem Plattenelement 62 sind zwei weitere verformbare Elemente 40b und 40c angeordnet, deren Enden mitei- nander verbunden sein können. Ausgehend von den Verbindungen können die verformbaren Elemente 40b und 40c so zueinander ausgerichtet sein, dass eine Wölbung des jeweiligen verformbaren Elements 40b oder 40c von dem anderen verformbaren Element weg weist. Die verformbaren Elemente 40a-c können beispielsweise gemeinsam angesteuert werden oder gemeinsam auf den Volumenstrom des Fluids reagieren, wobei bei- spielsweise eine gemeinsame Ansteuerung der verformbaren Elemente 40a-c zu einer Vergrößerung des Stellwegs, d. h. zu einer Vergrößerung des Weges, um das das Plattenelement 62 ausgelenkt wird, führen. Das bedeutet, dass zwischen dem verformbaren Element und dem Plattenelement zumindest ein weiteres verformbares Element angeordnet sein kann, das ausgebildet ist, um bei einer gemeinsamen Ansteuerung mit dem ver- formbaren Element einen Stellweg des verformbaren Elements zu erhöhen.
Fig. 7c zeigt eine Konfiguration des elektromechanischen Wandlers 18, bei dem die verformbaren Elemente 40a-c in einem Mittenbereich Aussparungen 70a oder 70b aufweisen, die eine fluidische Kopplung eines Volumens 82 zwischen den verformbaren Ele- menten 40b und 40c mit einer weiteren Teilkavität, beispielsweise der Teilkavität 38a ermöglichen. Die verformbaren Elemente 40a, 40b und/oder 40c können jeweils zweiteilig ausgeführt sein, um die Aussparungen 78a und 78b bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich können die Aussparungen 78a und 78b als Aussparungen ausgeführt sein, die entlang einer Dickenrichtung (z-Richtung) von weiterem Material der verformbaren Ele- mente 40a, 40b bzw. 40c umschlossen sind.
In anderen Worten zeigt Fig. 7a eine Konfiguration mit aktuierten S-förmigen Biegebalken nach Fig. 4, bei dem in der Mitte der starren Platte eine Verbindung zu dem Biegebalken angeordnet ist. Zur Erhöhung der Auslenkung können die Biegeaktoren mehrfach hinter- einander (seriell) angeordnet werden. Die Fig. 7b und 7c zeigen schematisch eine Anordnung von drei seriell geschalteten S-Aktoren. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können zwei S-Aktoren (verformbare Elemente 40) oder mehr als drei Aktoren seriell geschaltet werden. Die Schraffuren der verformbaren Elemente in den Fig. 7a-c sind beispielsweise in Übereinstimmung mit den Schraffuren, wie sie in Fig. 4 gewählt wurde, dargestellt. Voneinander verschiedene Schraffuren können eine voneinander verschiedene Krümmungsrichtung der jeweiligen Abschnitte bedeuten. Fig. 7c zeigt eine Konfigurati- on, die in der Mitte der S-förmigen Aktoren eine Öffnung aufweist (Aussparungen 78a und 78b), die eine verbesserte Belüftung des Zwischenraums (Kavität 82) ermöglicht.
Fig. 7d zeigt eine Konfiguration des eiektromechanischen Wandlers, bei der ein erstes verformbares Element 40a und ein zweites verformbares Element 40b entlang der y- Richtung parallel zu einander angeordnet sind. Dies ermöglicht eine Erhöhung der Kraftwirkung, mit der das Plattenelement 62 ausgelenkt wird. Enden der verformbaren Elemente können mit einander verbunden sein oder gemeinsam an dem Substrat angeordnet sein. Alternativ können auch zwei oder mehrere verformbare Elemente 40a und 40b ent- lang einer anderen Richtung parallel angeordnet sein, etwa entlang der z-Richtung (Dickenrichtung). Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Serienschaltung und eine Parallelschaltung von verformbaren Elementen kombiniert werden.
Bewegliche Elemente können bei einer hohen oder zu hohen Auslenkung auf ein anderes bewegliches Element oder ein festes Element treffen. Dies kann zu Sticking führen. Die beweglichen Elemente oder die festen Elemente können bevorzugt mit Abstandselementen (Pollern) versehen werden, welche ermöglichen, die Kontaktfläche signifikant zu verringern und damit Sticking zu reduzieren oder zu vermeiden. Anstelle sogenannter Poller können auch kleine als Federelemente ausgebildete Strukturen angeordnet werden. Ne- ben der Vermeidung von Sticking kann so der Impuls beim Auftreffen zweier Elemente umgekehrt werden, womit Energieverluste reduziert oder vermieden werden können bzw. das dynamische Verhalten der Aktoren verbessert werden kann.
Fig. 8a zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Wandlers 80, bei dem die verformbaren Elemente alternierend mit dem Substrat bzw. der Zwischenschicht 36 bzw. mit einem Ankerelement 84, das mit dem Substrat verbunden ist, verbunden sind. Beispielsweise ist das verformbare Element 22a in den Bereichen 46 und 48 der Zwischenschicht 36 an Enden fest mit dem Substrat verbunden und ausgebildet, um eine S- förmige Bewegung auszuführen, wie es im Zusammenhang mit dem verformbaren Ele- ment 40 beispielhaft erläutert ist. Das benachbart angeordnete verformbare Element 22b ist mit dem Ankerelement 84 verbunden. Das Ankerelement 84 ist in einem Mittenbereich des verformbaren Elements 22b angeordnet und kann an der Abstandsschicht 34a oder der Schicht 32a mit derselben verbunden sein. Das bedeutet, dass das Substrat ein Ankerelement aufweisen kann. Seitenwände der Zwischenschicht 36, die benachbart zu bewegbaren Enden der verformbaren Elemente 22a oder 22b angeordnet sind, können basierend auf einer Bewegungsform der verformbaren Elemente 22a bzw. 22b geformt sein. Fig. 8b zeigt eine schematische Aufsicht des MEMS-Wandlers 80, wobei die Abstandsschicht 34b und die Schicht 32b beispielhaft nicht gezeigt sind. Das MEMS 80 umfasst die Stabelemente 44 in Bereichen der Öffnungen 26. Die Bereiche 48 können die Federelemente 72a-c aufweisen. Die Bereiche 48 sind beispielhaft als Aufsicht der Zwischenschicht 36 dargestellt.
Das Ankerelement 84 kann einstückig mit dem verformbaren Element 22b und/oder einer Schicht des Substrats geformt sein. Wie es in Fig. 8 dargestellt ist, kann das Ankerelement 84 jedoch entlang der z-Richtung über das verformbare Element 22b hinausragen, um die Schichten 32a und 32b miteinander zu verbinden. Dies ermöglicht eine verringerte Schwingungsanfälligkeit der Schichten 32a und 32b. Alternativ kann das Ankerelement 84 auch aus einem anderen Stück und/oder aus einem anderen Material wie das mechanisch verformbare Element 22b gebildet sein. Das benachbart hierzu angeordnete verformbare Element 22a ist beispielsweise beidseitig fest mit dem Substrat in den Bereichen 48 oder 46 verbunden, beispielsweise form- oder kraftschlüssig.
Ein Abstand 85 zwischen Stabelementen 44 kann beispielsweise geringer sein als 1 μιτι, als 0,1 pm oder 0,05 μηη.
Das Ankerelement 84 kann in einem Mittenbereich des verformbaren Elements 22b an- geordnet sein. Der Mittenbereich kann bspw. einen geometrischen Schwerpunkt des verformbaren Elementes umfassen. Der Mittenbereich kann bspw. das Balkensegment 30b des verformbaren Elementes 40 sein.
Fig. 8c zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des MEMS-Wandlers 80 in einem ausgelenkten Zustand. Äußere Bereiche des verformbaren Elements 22b können sich in eine Richtung hin zu dem verformbaren Element 22a bewegt haben, wobei Orte der äußeren Enden des verformbaren Elements 22a im Wesentlichen unverändert geblieben sind. Ein Mittenbereich des verformbaren Elements 22a kann sich in eine Richtung des verformbaren Elements 22b bewegt haben, wobei ein Ort des Mittenbereichs des ver- formbaren Elements 22b basierend auf dem Ankerelement 84 im Wesentlichen unverändert geblieben ist. Fig. 8d zeigt eine schematische Aufsicht auf den MEMS-Wandler 80 in dem ausgelenkten Zustand, wie er in Fig. 8c beschrieben ist. Das Volumen der Kavität 42 ist verglichen mit der Ansicht der Fig. 8b verringert, wohingegen ein Volumen der Teilkavität 38 vergrößert ist. Das Federelement 72a kann zu einer reduzierten Krafteinleitung in das verformbare Element 22a führen, kann jedoch auch nicht angeordnet sein. Zwischen den Balkenstrukturen des ersten elektromechanischen Wandlers und des zweiten elektromechanischen Wandlers bzw. zwischen den Aktoren 22a und 22b kann eine erste Teilkavität 42 angeordnet sein, die an eine Öffnung 26 des Substrats angrenzt.
In anderen Worten zeigen Fig. 8a und 8b eine schematische 3D-Darstellung bzw. eine Aufsicht einer Variante, bei der eine Chipfläche des MEMS-Wandlers sehr effizient ausnutzbar ist. Wie in der Basiskonfiguration, wie sie im Zusammenhang mit den Fig. 2a-c beschrieben ist, können ausschließlich oder vorwiegend Biegeaktoren eingesetzt werden, d. h. auf das zusätzliche starre Plattenelement kann verzichtet werden. Die Kammer 42 wird, wie in Fig. 8a illustriert, durch zwei nicht ausgelenkte S-Aktoren 22a und 22b begrenzt. Der links (negative x-Richtung) begrenzende S-Aktor 22a kann mit seinen beiden Enden in der Zeichnung oben bzw. unten (also entlang der positiven oder negativen y- Richtung) mit dem übrigen Bauelement verbunden sein. Der rechts begrenzende S-Aktor 22b kann an einem Pfosten (Ankerelement) 84 befestigt sein. Die beiden Enden dieses S- Aktors können frei beweglich sein. Der Pfosten 84 kann mit dem oberen und unteren Deckel 32a bzw. 32b fest verbunden sein. Bei anliegendem Signal verbiegen sich beide Aktoren S-förmig. Das in Fig. 8a verdeckt dargestellte Federelement 72a, das durch eine Aussparung beeinflusst ist, kann zur Zugentlastung dienen. Das Federelement ist in der Zeichenebene der Fig. 8b entlang der lateralen Bewegungsrichtung 24 in dem Element 48 angeordnet, so dass das Federelement 72a entlang der lateralen Bewegungsrichtung 24 fest eingespannt ist. Das Federelement 72a kann, wie es beispielsweise in Fig. 8 dargestellt ist, basierend auf den Abstandsschichten 34a und 34b eine feste Verbindung hierzu aufweisen und ebenfalls eingespannt sein. Alternativ können die Schichten 34a und 34b auch so strukturiert werden, dass das Federelement 72a keinen Kontakt zu der Abstandsschicht 34a und/oder 34b aufweist und somit eine höhere Nachgiebigkeit aufweisen kann.
Wie es in den Fig. 8c und 8d dargestellt ist, können die bauchförmigen Verwölbungen des S-Aktors 22a in Richtung des Pfostens 84 bewegt werden, so dass die Mitte des S-Aktors 22a nahezu die Mitte des S-Aktors 22b berührt. Gleichzeitig haben sich die freien Enden des S-Aktors 22b in Richtung der festen Einspannung des S-Aktors 22a bewegt, so dass diese sich ebenfalls nahezu berühren. Die aktuierte Form der beiden S-Aktoren kann näherungsweise gleich oder identisch sein, so dass sich die Kammer 42 bei genügender Auslenkung der Aktoren praktisch oder nahezu vollständig schließen kann. Das ursprüngliche Volumen der Kammer 42 kann also vollständig für die Generation des Volumen- Stroms oder für dessen Erfassung eingesetzt werden. Im gleichen Maße, wie die Kammer 42 an Volumen verliert, kann die Kammer 38 an Volumen gewinnen, wodurch bei geeigneter Dimensionierung der die Strömungen beeinflussenden Elemente verhindert werden kann, dass eine zu hohe durch dynamische Effekte auftretende Druckdifferenz zwischen den Kammern 38 und 42 die Bewegung der Aktoren beeinträchtigt. Die Elemente 46 und 48 können so ausgestaltet sein, dass der Abstand zu den freien Enden der Aktoren 22b unabhängig von der Auslenkung der Enden klein und/oder in etwa konstant bleibt. Zur Zugentlastung der Aktoren 22a können, wie oben beschrieben, Biegefederelemente 72a angeordnet sein. Vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiele können weitere Aktoren umfassen, die in entstehenden Strömungskanälen angeordnet sind. Die weiteren Aktoren können bspw. nicht der direkten Schallerzeugung dienen, wie es beispielsweise die elektromechani- schen Wandler 18 ermöglichen können, sondern zur variablen Einstellung der Strömungseigenschaften nutzbar sein. Damit kann beispielsweise die Dämpfung und folglich die Breite der Resonanzkurve individuell für jede Kammer anforderungsspezifisch und flexibel während des Betriebs des Bauelements (MEMS-Wandler) angepasst werden.
In eingangs aufgeführter Abschätzung wurde die Volumenänderung pro aktiver Fläche (AV/A) für einen Membranlautsprecher nach dem Stand der Technik auf 3,75 pm abge- schätzt. Dies kann, wie nachfolgend ausgeführt, für eine in den Fig. 8a-c dargestellten MEMS-Wandler anhand von für Mikrotechnik-Technologie sinnvollen Dimensionen erneut abgeschätzt wurden, um eine Abschätzung für eine aktive Fläche AV/A zu erhalten. Dazu kann für eine Breite der Aktoren (in Abbildung 8a in x-Richtung) ein Wert von 5 pm angenommen werden. Die Breite des Pfostens 84 kann einen Wert von ebenfalls 5 pm aufwei- sen. Für den Abstand der Aktoren, welche die Seitenwände der Kammer 38 bilden, (etwa in den Fig. 8a und 8b im unausgeienkten Zustand) können 10 pm angenommen werden. Für einen Abstand der Aktoren, welche die Seitenwände der Kammer 42 bilden, (Fig. 8a und 8b im unausgeienkten Zustand) können 100 pm angenommen werden. Ein planarer Füllfaktor Fp, der angeben kann, welcher Anteil der aktiven Fläche für die Generation ei- nes Volumenstroms nutzbar ist, kann sich dann zu Fp = 100 / (5 + 100 + 5 + 10) = 83 % ergeben.
AV/A kann ausgedrückt werden als: AV/A = A x Fph / A = Fph In obigem Ausdruck kann h die Höhe der Kammer (bspw. die z-Richtung in Fig. 8a) darstellen. Vereinfacht kann hierfür lediglich die Aktorhöhe angenommen werden. Eine Dicke der Abstandsschichten 34a und 34b kann vernachlässigt werden. Im Vergleich mit den obigen 3,75 pm für die Membranlautsprecher wird klar, dass bereits eine Aktorhöhe von lediglich 3,75 pm / Fp (also 4,5 pm) hinreichend ist, um denselben Volumenstrom pro akti- ver Fläche zur Verfügung zu stellen. Mit einer in mikromechanischer Technologie ohne erhöhte Aufwände herstellbaren Aktordicke h von in etwa 50 pm kann der Wert bereits um mehr als den Faktor 10 höher liegen als der des MEMS-Membranlautsprechers.
In Ausführungsbeispielen gemäß dem MEMS-Wandler 80, die ohne starre Platten ausge- führt sind, können parasitäre Schwingungen aufgrund der deutlich reduzierten Anzahl mechanischer Elemente und mechanischer Verbindungen wesentlich einfacher beherrschbar bzw. reduzierbar sein als in Varianten, die die Plattenelemente und ggf. weitere verformbare Elemente zwischen dem verformbaren Element und dem Plattenelement aufweisen. Ein serielles Hintereinanderschalten von Aktoren, wie beispielsweise in den Fig. 7b und 7c dargestellt, kann zur Erzielung größerer Hübe bzw. größerer Kräfte dienen.
Fig. 9 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Stapels 90. Der Stapel 90 umfasst einen MEMS-Wandler 80a, der mit weiteren MEMS-Wandlern 80b und 80c zu dem Stapel 90 verbunden und in dem Stapel 90 angeordnet ist. Die elektromechanischen Wandler des MEMS-Wandlers 80a und eines weiteren MEMS-Wandlers 80b und/oder 80c können gemeinsam ansteuerbar sein. Das bedeutet, dass bei gleichbleibender Chipfläche ein Volumenstrom, der erzeugbar oder erfassbar ist, erhöht ist. Obwohl der Stapel 90 so beschrieben ist, dass er die MEMS-Wandler 80a, 80b und 80c umfasst, können alternativ oder zusätzlich andere MEMS-Wandler 10, 20, und/oder 50 angeordnet sein. Obwohl der Stapel 90 so beschrieben ist, dass er drei MEMS-Wandler umfasst, kann der Stapel 90 auch eine andere Anzahl von MEMS-Wandlern, etwa zwei, vier, fünf, sechs oder mehr MEMS-Wandler umfassen. Die Kavitäten oder Teilkavitäten der MEMS- Wandler bzw. benachbarter MEMS-Wandler, die in dem Stapel 90 angeordnet sind, können miteinander verbunden sein. Die Kavitäten oder Teilkavitäten können bspw. durch Öffnungen in Schichten zwischen einzelnen MEMS-Wandlern verbunden sein. In anderen Worten können basierend auf Siliziumtechnologie Scheiben bzw. Chips (ME S-Wandler) beispielsweise durch Bondverfahren gestapelt werden, so dass sich in diesem Fall, im Gegensatz zu den klassischen Membranlautsprechern, eine weitere Erhöhung des Volumenstroms ergeben kann. Bei einem Einsatz von Technologien zur Ab- dünnung der einzelnen Scheiben bzw. Chips vor Stapelung kann die Stapelhöhe gering gehalten werden. Eine derartige Technologie kann beispielsweise einen Ätzprozess und/oder einen Schleifprozess umfassen.
Eine Reduzierung einer Schichtdicke der Schichten 32a und/oder 32b, die benachbart zueinander angeordnet sind, kann so weit geführt werden, dass eine oder gar beide dieser Schichten entfernt werden. Alternativ oder zusätzlich kann zur Verringerung der Stapelhöhe ein Herstellungsprozess so ausgeführt werden, dass bestimmte Unter- bzw. Oberdeckel (Schichten 32a bzw. 32b) weggelassen werden. Beispielsweise könnte der Stapel 90 so gebildet sein, dass der MEMS-Wandler 80b und/oder 80c jeweils ohne Schicht 32b ausgeführt sind.
Fig. 10 zeigt eine schematische perspektivische Aufsicht auf einen Ausschnitt eines MEMS-Wand!ers 100, bei dem zwischen Seiten des Substrats 14 verformbare Elemente 22a-d angeordnet sind. Die verformbaren Elemente 22a und 22b sind mittelbar über das Ankerelement 84a verbunden. Das bedeutet, dass Enden der verformbaren Elemente 22a und 22b mit dem Substrat, ggf. mit dem Ankerelement 84a fest verbunden und mithin (fest) eingespannt sein können. Das bedeutet, dass die verformbaren Elemente 22a-d oder andere verformbare Elemente gemäß weiterer Ausführungsbeispiele eine Balkenstruktur aufweisen können. Die Balkenstruktur kann an einem ersten und einem zweiten Ende fest eingespannt sein. Eine Einspannung von Enden eines verformbaren Elementes 22a-d bzw. einer Balkenstruktur ermöglicht eine Vorauslenkung der verformbaren Elemente (etwa aufgrund von Schichtspannungsgradienten) zu reduzieren oder deutlich zu reduzieren. Somit können die Spalte zwischen den Deckeln und den Aktoren viel geringer ausfallen, was für einige Anwendungen erhebliche Effizienzvorteile hat
Die verformbaren Elemente 22a-d sind bspw. jeweils beidseitig fest eingespannt. Eine feste Einspannung kann mittels einer Anordnung oder Erzeugung der verformbaren Elemente 22a und/oder 22b an dem Substrat 14 und/oder an einem Ankerelement 84a bzw. 84b erhalten werden. Gestrichelte Linien 88 deuten einen unausgelenkten Zustand an, wohingegen durchgezogene Balken 92 eine ausgelenkte Form der verformbaren Elemente 22a-d andeuten. Ausformungen oder Elemente 94a und 94b des Substrats 14 können eine Positionierung der verformbaren Elemente 22a-d entlang der y-Richtung ermöglichen. Eine paarweise Position von elektromechanischen Wandlern 18a-c kann basierend auf den Elementen 94a und 94b verschoben sein. Benachbart und/oder paarweise zueinander angeordnete elektromechanische Wandler 18a und 18b können entgegengesetzt zueinander verformbar sein.
Das verformbare Element 22a und ggf. ein gegenüberliegendes verformbares Element 22c können ausgebildet sein, um basierend auf der Verformung einen Teilkavitätsab- schnitt 96a zu beeinflussen, d. h. zu vergrößern oder zu verkleinern bzw. um basierend auf dem Volumenstrom in dem Teilkavitätsabschnitt 96a eine Verformung auszuführen. Das verformbare Element 22b und ggf. das gegenüberliegend angeordnete verformbare Element 22d können ausgebildet sein, um einen Teilkavitätsabschnitt 96b zu beeinflussen. Die Teilkavitätsabschnitte 96a und 96b können miteinander verbunden sein, etwa in einem Bereich der Ankerelemente 84a und 84b. Die Verformung der verformbaren Ele- mente 22a-d kann so erhalten werden, dass sich die verformbaren Elemente 22a und 22c bzw. 22b und 22d mit einer voneinander verschiedenen Frequenz verformen, d. h. eine Volumenänderung in dem Teilkavitätsabschnitt 96a kann mit einer Frequenz erfolgen, die von einer Frequenz verschieden ist, mit der sich ein Volumen des Teilkavitätsabschnitts 96b ändert. Wird der MEMS-Wandler beispielsweise als Lautsprecher genutzt, so können basierend auf der frequenzmäßig verschiedenen Volumenänderung verschiedene Frequenzen in den Teilkavitätsabschnitten erhalten werden. Wird der MEMS-Wandler 100 beispielsweise als Mikrophon verwendet, können die Teilkavitätsabschnitten 96a und 96b beispielsweise voneinander verschiedene Resonanzfrequenzen aufweisen. Alternativ können weitere Teilkavitätsabschnitte und weitere verformbare Elemente entlang der y- Richtung angeordnet sein, so dass der MEMS-Wandler 100 beispielsweise weitere Frequenzen erzeugen oder weitere Resonanzfrequenzen aufweisen kann.
Alternativ können die verformbaren Elementen 22a und 22b oder die verformbaren Elemente 22c und 22d auch direkt miteinander verbunden sein. Beispielsweise können An- kerelemente in einem Mittenbereich eines oder mehrerer verformbarer Elemente 22a-d angeordnet sein, um die Verformung der verformbaren Elemente 22a-d zu beeinflussen. Das bedeutet, dass die verformbaren Elemente 22a und 22b unmittelbar miteinander verbunden werden können. Alternativ kann auch ein Federelement oder ein anderes Element zwischen den verformbaren Elementen 22a und 22b angeordnet sein. Der MEMS-Wandler 100 kann so ausgeführt sein, dass in einem ersten Zeitintervali der Volumenstrom 12 in einer positiven y-Richtung aus Öffnungen 26 und nachfolgend, in einem zweiten Zeitintervall der Volumenstrom 12 in einer negativen y-Richtung aus Öffnungen 26 erhalten wird.
In anderen Worten zeigt Fig. 10 eine Konfiguration in der wiederum, ggf. ausschließlich, S-förmige Aktoren angeordnet sind. Die S-förmigen Aktoren können zur Verdeutlichung des Prinzips in der Abbildung sowohl aktuiert (durchgezogene Linien 92) als auch nicht- aktuiert (gestrichelte Linien 88) darstellbar sein. Aktuierter und nicht-aktuierter Zustand können durch entsprechendes Design auch vertauschbar sein. Die S-förmigen Aktoren (verformbare Elemente 22a-d) können sowohl an ihrem einen (oberen) als auch an ihrem anderen (unteren) Ende eingespannt sein. Dazu können die Ankerelemente 84a-b genutzt werden. Die Ankerelemente 84a-b können aus den Schichten 34a, 36 und 34b gebildet sein und mit einer Schicht 32a und/oder 32b verbunden sein. Abstände zwischen den freien Enden der S-förmigen Aktoren und Elementen 94a oder 94b können basierend auf dieser Konfiguration entfallen. Dies kann geringere Umströmungsverluste ermöglichen. Ein Ausgangssubstrat kann so prozessiert werden, dass aus diesem die Aktoren herstellbar sind, wobei das Ausgangssubstrat Schichtspannungsgradienten aufweisen kann bzw. Schichtspannungsgradienten können während der Herstellung der Aktoren eingeführt werden. Eine dadurch induzierte Auslenkung der verformbaren Elementen kann basierend auf der Anordnung der Ankerelemente 84a und/oder 84b reduziert oder verhindert werden. Insbesondere kann die beidseitige Aufhängung der verformbaren Elemente zu einer Verringerung oder Verhinderung einer Auslenkung derselben in Richtung einer der Schichten 32a oder 32b führen. Die Abstandschichten 34a bzw. 34b können dementspre- chend dünner ausfallen, was wiederum eine Reduktion der Umströmungsverluste bewirken kann. Je Kammer (Teilkavitätsabschnitt 96a oder 96b) kann durch zwei S-förmige Aktoren begrenzt sein. In dem Beispiel der Fig. 10 können zwei Kammern seriell hintereinander geschaltet sein. Die Anzahl der seriell geschalteten Kammern kann basierend auf einer auf dem Chip zur Verfügung gestellten Fläche unter Berücksichtigung der akusti- sehen Eigenschaften, insbesondere der Resonanzfrequenz der S-förmigen Aktoren bzw. des Aktor-Kammersystems wählbar sein und kann zwischen 1 und einer hohen Zahl, beispielsweise mehr als 3, mehr als 5 oder mehr als 10 variieren.
Die Elemente 94a und 94b können optional angeordnet sein, d. h. der MEMS-Wandler 100 kann auch ohne diese Elemente ausgeführt sein. Wird beispielsweise aufgrund einer speziellen Gestaltung oder Ansteuerung der elektromechanischen Wandler und/oder der verformbaren Elemente ein entsprechender Teil des Aktors nicht ausgelenkt, so kann auf eine Beabstandung mittels der Elemente 94a oder 94b von dem Substrat 14 verzichtet werden. Es kann ein Mehrfach-S-Aktor (wellenförmiger Aktor) ausgeführt werden. Insbesondere ermöglicht dies ein Erhalten niedriger Resonanzfrequenzen basierend auf dieser Anordnung, da eine Resonanzfrequenz des Balkens (verformbaren Elements) mit zunehmender Länge abnehmen kann.
Fig. 1 1 a zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Ausschnitt eines MEMS-Wandlers 1 10, bei dem die elektromechanischen Wandler 18a-b verglichen mit der Konfiguration der Fig. 10 bezogen auf eine laterale Richtung des Substrats 14, beispielsweise die x- Richtung, schräg angeordnet sind. Bei einer verglichen mit dem MEMS-Wandler 100 gleichen Ausdehnung entlang der y-Richtung können die elektromechanischen Wandler 18a- b eine längere axiale Ausdehnung aufweisen. Dies kann größere Teilkavitätsabschnitte 96a und/oder 96b und/oder eine höhere Anzahl von seriell hintereinander geschalteten Teilkavitätsabschnitte bzw. verformbaren Elementen ermöglichen.
Ein äußeres Balkensegment 30a eines verformbaren Elements kann mittelbar über das Ankerelement 84 mit einem äußeren Balkensegment 30c eines weiteren Verformbaren Elementes mit einander verbunden sein. Alternativ können die Balkensegmente 30a und 30c auch unmittelbar, d. h., direkt, mit einander verbunden sein.
In anderen Worten zeigt Fig. 1 1 a ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die aktive Fläche gegenüber den Ausführungen der Fig. 10 um 45° gedreht ist, wobei ggf. die zur Verfügung stehende Chipfläche in einem höheren Umfang ausnutzbar ist. Trichterförmige Öffnungen 26 können so gestaltet werden, dass der Schall vorzugsweise senkrecht zur Chipkantenfläche, d. h. entlang der y-Richtung in positiver oder negativer Richtung hiervon emittiert werden kann.
Jedes der vorangehend beschriebenen verformbaren Elemente kann auch als eine Viel- zahl von miteinander verschalteten verformbaren Elementen gebildet sein.
Fig. 1 1 b zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Ausschnitt eines MEMS-Wandlers 1 10', der bspw. als Pumpe einsetzbar ist. Verglichen mit dem MEMS-Wandler 1 10 aus Fig. 1 1 a können die Teilkavitätsabschnitte 96a und 96b über zwei Öffnungen 26a und 26b mit einer Umgebung des MEMS-Wandlers 1 10' verbunden sein. Die Teilkavitätsabschnitte 96a und 96b können über die Öffnung 26a mit einer ersten Seite 97a des MEMS- Wandlers 1 10' verbunden sein und über die Öffnung 26b mit einer zweiten Seite 97a des MEMS-Wandlers 1 10' verbunden sein. Die erste Seite 97a und die zweite Seite 97b können bspw. gegenüberliegend zueinander angeordnet sein. Alternativ können die Seiten 97a und 97b auch einen Winkel zueinander aufweisen. Bspw. kann eine der Seiten 97a oder 97b eine Seitenfläche des MEMS-Wandlers 1 10' aufweisen und die andere Seite 97b oder 97a eine Hauptseite (bspw. eine Ober- oder Unterseite) des MEMS-Wandlers 1 10' umfassen.
Basierend auf eine Verformung der verformbaren Elemente 22a-d kann der Fluidstrom von der ersten Seite 97a zu der zweiten Seite 97b oder andersherum durch den MEMS- Wandler 1 10' hindurch generierbar sein. Bspw. können die verformbaren Elemente 22a und 22c in einem ersten Zeitintervall verformt und das Volumen des Teilkavitätsabschnitts 96a verkleinert werden. In einem zweiten Zeitintervall kann das Volumen des Teilkavitätsabschnitts 96b verkleinert werden. Basierend auf einer Reihenfolge der Verkleinerung oder Vergrößerung der Volumina kann eine Richtung des Volumenstroms 12 beeinflusst werden. Alternativ können auch mehrere Teilkavitatsabschnitte hintereinander angeordnet sein oder lediglich ein Teilkavitätsabschnitt angeordnet sein.
Vereinfacht ausgedrückt kann die Funktion einer Pumpe erhalten werden, indem der Vo- lumenstrom 12 anstelle von Hin und Her analog zu einem Lautsprecher gemäß einem Durchflussprinzip durch den MEMS-Wandler erzeugt wird. Eine Ein- und eine Austrittsseite des MEMS-Wandlers können gegenüberliegend angeordnet sein, können aber alternativ auch einen Winkel zu einander aufweisen oder an der gleichen Seite örtlich oder fluidisch voneinander beabstandet sein. Die Kavität umfassend die Teilkavitatsabschnitte 96a und 96b kann die Öffnungen 26a und 26b in dem Substrat aufweisen. Zumindest einer der eiektromechanischen Wandler 18a oder 18b kann ausgebildet sein, um den Volumenstrom 12 basierend auf dem Fluid bereitzustellen. Bspw. kann zumindest einer der eiektromechanischen Wandler 18a oder 18b ausgebildet sein, um das Fluid basierend auf einer Aktuierung des eiektromechanischen Wandler durch die erste Öffnung 26a in eine Richtung der Kavität zu befördern oder, um das Fluid basierend auf der Aktuierung durch die zweite Öffnung 26b in eine Richtung weg von der Kavität zu befördern oder andersherum.
Obwohl eine Pumpenfunktion im Zusammenhang mit dem MEMS-Wandler 1 10' beschrie- ben ist, können auch andere hier beschriebene Ausführungsbeispieie als Pumpe oder Mikropumpe nutzbar sein, etwa indem eine Anordnung von Öffnungen der Kavität, Teilkavität oder zumindest eines Teilkavitätsabschnitts angepasst wird.
Bei einer gleichzeitigen Auslenkung der verformbaren Elemente 22a und 22e kann in ei- nem dazwischenliegenden Volumen ein Unterdruck (alternativ Überdruck) resultieren, der der Verformung oder Auslenkung entgegenwirkt. Das Volumen kann eine Öffnung aufweisen, bspw. in der Schicht 32a und/oder 32b, so dass ein Druckausgleich in diesem Volumen ermöglicht ist. Dies ermöglicht einen effizienten Betrieb des ME S-Wandlers 1 10'. Fig. 12a zeigt eine schematische Ansicht eines MEMS-Wandlers 120, der bspw. als MEMS-Pumpe einsetzbar ist, in einem ersten Zustand. Der MEMS-Wandler 120 weist bspw. zwei verformbaren Elemente 22a und 22b auf, die eine Balkenstruktur ausweisen und beidseitig an dem Substrat 14 eingespannt oder fest eingespannt sind. Alternativ kann der MEMS-Wandler 120 auch mit einem verformbaren Element oder mit mehr als zwei verformbaren Elementen ausgeführt sein.
Fig. 12b zeigt den MEMS-Wandler 120 in einem zweiten Zustand. Basierend auf einer Verformung zumindest eines verformbaren Elementes 22a und/oder 22b kann ausgehend von dem ersten Zustand, wie er in Fig. 12a dargestellt ist, der zweite Zustand erhalten werden. Ausgehend von dem zweiten Zustand kann basierend auf einer Rückverformung des oder der verformbaren Elements oder Elemente der erste Zustand erhalten werden. In dem zweiten Zustand ist die Teilkavität 38 zwischen den verformbaren Elementen 22a und 22b bspw. gegenüber dem ersten Zustand vergrößert. Während eines Übergangs vom ersten in den zweiten Zustand kann ein Unterdruck in der Teilkavität 38 entstehen. Währen eines Übergangs vom zweiten Zustand in den ersten Zustand kann ein Unterdruck in der Teilkavität 38 entstehen.
Zwischen einem verformbaren Element 22a bzw. 22b und dem Substrat 14 ist eine Teilkavität 42a bzw. 42b angeordnet, deren Volumina komplementär zu dem Volumen der Teilkavität 38 verkleinert bzw. vergrößert werden können, wobei ebenfalls komplementär zu der Teilkavität 38 ein Überdruck bzw. Unterdruck basierend auf der Verformung der verformbaren Elemente erhalten werden kann.
In einem Bereich einer jeweiligen Öffnung 26 kann eine Ventilstruktur 85a-f angeordnet sein. Eine oder mehrere Ventilstrukturen 85a-f können bspw. aus einem Material des Substrats 14 gebildet sein. Die Ventilstrukturen können einstückig mit einer oder mehre- ren Schichten des Substrats 14 gebildet sein und bspw. mittels eines Ätzprozesses erzeugt werden.
Die Ventilstrukturen können ausgebildet sein, um einen Durchfluss des Volumenstroms 12 durch die Öffnung 26 zumindest entlang einer Richtung zu behindern, d. h., zu reduzieren oder zu verhindern. Bspw. können die Ventilstrukturen 85b, 85d und 85f ausgebildet sein, um einen Austritt des Fluids aus der jeweiligen Teilkavitat zu reduzieren oder zu verhindern. Alternativ oder zusätzlich können die Ventilstrukturen 85a, 85c und 85e ausgebildet sein, um einen Eintritt des Fluids in die jeweilige Teilkavitat zu reduzieren oder zu verhindern. Eine oder mehrere Ventilstrukturen 85a-f können passiv ausgebildet sein, etwa als einseitig eingespannte Biegebalkenstruktur oder Zungenstruktur. Alternativ oder zusätzlich können eine oder mehrere Ventilstrukturen 85a-f aktiv ausgebildet sein, etwa als elektromechanischer Wandler oder verformbares Element. Vereinfacht ausgedrückt, können die Ventilstrukturen 85a-f wie die anderen Aktoren (elektromechanischer Wandler) des ME S-Wandlers aktuierbar sein.
Die Ventilstruktur 85d kann bspw. ausgebildet sein, um basierend auf einem Unterdruck in der Teilkavitat 38 den Volumenstrom 12 in die Teilkavität 38 einströmen zu lassen, während die Ventilstruktur 85c gleichzeitig einen Eintritt des Volumenstrom 12 in die Teilkavi- tat 38 reduziert oder verhindert. Tritt, wie in Fig. 12b gezeigt, ein Überdruck in der Teilkavität 38 auf, so kann die Ventilstruktur 85c ausgebildet sein, um basierend auf dem Überdruck den Volumenstrom 12 aus der Teilkavität 38 ausströmen zu lassen, während die Ventilstruktur 85d gleichzeitig einen Austritt des Volumenstrom 12 aus der Teilkavität 38 reduziert oder verhindert.
Eine Funktion der Ventilstrukturen 85a, 85b bzw. 85e und 85f kann bzgl. der Teilkavitäten 42a bzw. 42b gleich oder vergleichbar sein. Die Ventiistrukturen 85a-f können auch als Rückschlagventile bezeichnet werden und ermöglichen bspw. eine Einstellung einer Vorzugsrichtung des Volumenstrom 12.
Obwohl der MEMS-Wandler so beschrieben ist, dass bspw. der Volumenstrom aus den Teilkavitäten 38, 42a und 42b entlang der gleichen Richtung (positive y-Richtung) und während unterschiedlichen Zeitintervallen, während denen ein Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand erfolgt, strömt, können die Ventiistrukturen auch so an- geordnet sein, dass der Volumenstrom aus zumindest einer Teilkavität 38, 42a oder 42b entlang einer anderen Richtung, etwa der negativen y-Richtung strömt. Obwohl der MEMS-Wandler so beschrieben ist, dass die Ventilstrukturen 85a-f an jeder Öffnung 26 angeordnet sind, können alternativ Ventilstrukturen an keiner oder lediglich einigen Öffnungen 26 angeordnet sein.
Obwohl die Ventilstrukturen für eine Funktion als Rückschlagventil passiv ausgeführt sein können, können die Ventilstrukturen auch aktiv gebildet sein, das bedeutet, sie können ansteuerbar sein und im Sinne von Aktuatoren basierend auf der Ansteuerung einen geöffneten oder geschlossenen Zustand des Ventils bereitstellen. Insbesondere können zwei Ventilstrukturen 85a und 85b, 85c und 85d oder 85e und 85f, die jeweils einer Teil- kavität zugeordnet sind, so angesteuert werden, dass Druckpulse in dem Fluidstrom 12 entstehen, etwa durch eine mit dem MEMS-Wandler verbundene Steuereinrichtung. Bspw. kann eine Aktuierung der elektromechanischen Wandler 18 so erfolgen, dass ein Über- oder Unterdruck in dem Fluid innerhalb der Teilkavitäten 42a, 42b aufgebaut wird und erst dann eine Öffnung der Ventilstrukturen 85a-f angesteuert wird.
In anderen Worten kann mit derartigen Druckpulsen auch eine näherungsweise Nachbildung einer niederfrequenten Schallwelle durch kurze Druckpulse erreicht werden. Durch mehrere seriell hintereinander angeordnete Kammern kann dies in nahezu kontinuierli- eher Weise geschehen. Ähnlich ist das auch mit parallel nebeneinander liegenden Kammern möglich. Fig. 12a zeigt ein Beispiel im nicht aktuierten Zustand, bei dem jede Kammer oben und unten mit je einem Ventil versehen ist, das aktiv gebildet sein kann. Jedes Ventil kann individuell geöffnet oder geschlossen werden. Auch eine teilweise Öffnung/Schließung ist denkbar. Die Ventilbalken können genauso gestaltet bzw. betrieben werden, wie die beweglichen Seitenwände, d. h., die verformbaren Elemente. Sie können also auf demselben oder gleichen Aktorprinzip beruhen. Dabei können diese Ventil- Biegebalken auch so ausgestaltet werden, dass sie in beide Richtungen bewegbar sind, bzw. die Öffnung (durch entsprechende vom Biegeaktor-Ventil aufzubringende Gegenkraft) bei Fluidfluss, schließen (bis auf einen sehr kleinen Spalt, der für die Bewegung erforderlich ist Mit diesem Aufbau ist die volle Flexibilität zur Steuerung des Fluidflusses in Bezug auf Richtung bzw. Unter-/Überdruck gegeben, und zwar individuell für jede Kammer. Steht die Richtung für den Fluidfluss fest, kann auch mit Anschlägen für die Ventil- Balken gearbeitet werden („Rückschlagventil"). In nochmals anderen Worten kann im ersten Zustand die mittlere Kammer (Teilkavität 38) durch die beiden dunkel dargestellten Aktoren (verformbaren Elemente 22a und 22b) ex- pandiert werden, während die beiden äußeren Kammern (Teilkavitäten 42a und 42b) komprimiert werden. Erstere Kammer füllt sich über das Rückschlagventil 85d mit dem Fluid aus dem unteren Bereich. Letztere drücken durch das Rückschlagventil 85a bzw. 85e Fluid in den oberen Bereich. Im zweiten Zustand wird die mittlere Kammer kompri- miert. Fluid wird in den oberen Bereich gedrückt. Die äußeren Kammern füllen sich mit dem Fluid aus dem unteren Bereich.
Fig. 13 zeigt eine schematische Ansicht eines ersten verformbaren Elements 22a und eines zweiten verformbaren Elements 22b, die entlang einer lateralen Erstreckungsrich- tung 98 des verformbaren Elements 22a und/oder 22b miteinander verbunden sind. Zwischen dem verformbaren Element 22a und dem verformbaren Element 22b ist ein Federelement 102 angeordnet. Das Federelement 102 kann reduzierte mechanisch induzierte Rückstellkräfte in den verformbaren Elementen 22a und 22b bewirken. Beispielsweise kann das Federelement 102 in einer Richtung 98', die senkrecht zu der Richtung 98 an- geordnet ist, eine geringe Steifigkeit aufweisen und entlang einer Richtung 98", die senkrecht zu der Richtung 98 und 98' im Raum angeordnet sein kann, eine hohe Steifigkeit. Die verformbaren Elemente 22a und 22b und das Federelement 102 können beispielsweise als das verformbare Element 22a in dem MEMS-Wandler 1 10 angeordnet sein. In anderen Worten können zur Zugentlastung der beidseitig eingespannten S-förmigen Aktoren 22a-d an Einspannungsorten oder beispielsweise auch in einem Bereich zwischen Einspannungsorten, etwa mittig, der Aktoren geeignete Federelemente 102 angeordnet werden. Das Federelement 102 ist beispielsweise in der Mitte der Aktoren eingesetzt und ist in der gewünschten Richtung (98') besonders flexibel und in den beiden Rich- tungen (98 und 98") steif, d. h. es weist eine hohe oder höhere Steifigkeit auf. Das Federelement 102 kann zwischen auslenkbaren Enden der verformbaren Elemente 22a und 22b angeordnet sein. Das Federelement 102 kann entlang der lateralen Bewegungsrichtung 24 eine geringere Steifigkeit aufweisen als in eine Richtung senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung 24.
Fig. 14 zeigt eine schematische Ansicht eines Stapels 140 umfassend einen MEMS- Wandler 80'a und einen MEMS-Wandler 80'b, die miteinander verbunden sind und verglichen mit dem MEMS-Wandler 80 eine gemeinsame Schicht 32 aufweisen, das bedeutet, eine Schicht 32a oder 32b des MEMS-Wandlers 80 ist entfernt. Ferner weist der MEMS-Wandler 80'a in der Schicht 32b die Öffnungen 26 auf, das bedeutet, verglichen mit dem MEMS-Wandler 80 ist eine Abstrahlrichtung des Volumenstroms 12 bzw. einer Eindringrichtung des Volumenstroms 12 senkrecht verkippt. Das bedeutet, dass eine Deckelfläche des MEMS-Wandlers eine Außenseite des Stapels bil- den kann, wobei der MEMS-Wandler eine Öffnung in der Deckelfläche aufweisen kann, die einer dem zweiten MEMS-Wandler zugewandten Seite abgewandt angeordnet ist, wobei der Volumenstrom 12 des MEMS-Wandlers 80'a senkrecht oder entgegengesetzt zu dem Volumenstrom des MEMS-Wandlers 80'b aus oder in die Kavität eintritt. An dem MEMS-Wandler 80'a kann ein Membranelement 104 angeordnet sein. Das Membranelement 104 kann so angeordnet sein, dass ein Austritt des Volumenstroms 12 aus der Kavität und durch das Membranelement 104 hindurch oder ein Eintritt des Volumenstroms 12 in die Kavität 16 zumindest teilweise zu verhindert ist. Die Kavität kann sich auf Bereiche ersteckend, die außerhalb des MEMS-Wandlers 80'a angeordnet sind und zwischen dem MEMS-Wandler 80'a und dem Membranelement 104 angeordnet sind. Basierend auf dem Volumenstrom 12 kann eine Auslenkung des Membranelements 104 bewirkbar sein. Das Membranelement 104 kann bspw. mittels einer Rahmenstruktur 106 an dem MEMS-Wandler 80'a angeordnet sein. Die Rahmenstruktur 106 kann an einer Seite des MEMS-Wandlers 80'a angeordnet sein, etwa an einer Hauptseite der Schicht 32b.
Alternativ kann auch eine Verkippung um einen von 90° verschiedenen Winkel ausgeführt sein. Der MEMS-Wandler 80'b kann Öffnungen an oder in der Schicht 32b aufweisen, so dass der Volumenstrom 12 an zwei Seiten des Stapels 140 in Kavitäten und/oder aus Kavitäten ein- bzw. austreten kann, wobei die Seiten einander entgegengesetzt angeordnet sind.
Alternativ oder zusätzlich kann der Stapel 140 auch einen weiteren oder anderen MEMS- Wandler aufweisen, etwa den MEMS-Wandler 20 oder 80. Beispielsweise kann der MEMS-Wandler 20 zwischen den MEMS-Wandlern 80'a und 80'b angeordnet sein. Dies ermöglicht einen Eintritt oder Austritt des Volumenstroms 12 in oder aus Kavitäten entlang einer Richtung, die senkrecht zu einer entsprechenden Richtung des MEMS-Wandlers 80'a ist. In anderen Worten können Schallaustrittsöffnungen 26 statt an den Chipseitenflächen auch im unteren Deckel 32a und/oder im oberen Deckel 32b angebracht sein. Fig. 14 zeigt eine entsprechende vereinfachte Darstellung. Die Öffnungen 26 im oberen Deckel 32b sind erkennbar. Ähnliche Öffnungen können sich im unteren Deckel 32b befinden, sind jedoch basierend auf der perspektivischen Ansicht nicht erkennbar. Die Schicht 32 kann ebenfalls Öffnungen aufweisen, das bedeutet, Kavitäten, Teilkavitäten und/oder Teilkavitätsabschnitte der MEMS-Wandler 80'a und 80'b können miteinander verbunden sein. Über die Öffnungen in der Schicht 32 können vertikal (entlang der z-Richtung) übereinanderliegende Kammern miteinander verbunden sein.
Ein Gitter umfassend ein oder mehrere Stabelemente (Gitterstege) 44, das zur Einstellung der Dämpfung und insbesondere als Schutz vor Partikeln ausgebildet sein kann, kann auch in der in Fig. 14 beschriebenen Variante einfach realisiert werden. Beispielsweise können die Öffnungen 26 in den oberen Deckel 32b bzw. den unteren Deckel 32a durch ein nass- oder trockenchemisches Ätzverfahren ausgebildet werden. Vor der Ätzung kann in einer zusätzlich aufgebrachten dünnen Schicht, welche eine geeignet hohe Selektivität gegenüber der Ätzung der Öffnungen hat, das gewünschte Gitter strukturiert werden. Für die Ätzung der Öffnungen 26 kann nun ein Ätzverfahren mit geeigneter hoher Isotropie bzw. lateraler Unterätzung gewählt werden, so dass es zur Unterätzung der Gitterstege 44 kommen kann. Beispielhaft kann das Gitter in einer Siliziumoxid- oder Nitridschicht hergestellt sein und die Deckel aus Silizium, welche dann mittels tiefenreaktiven lonenät- zen (Deep Reactive Ion Etching - DRIE) strukturiert werden können. Dieser Prozess kann so eingestellt werden, dass Unterätzungen in der Größenordnung von Mikrometern erreichbar sind. Alternativ kann beispielsweise eine nasschemische Ätzung mit Tetrame- thylammoniumhydroxid (TMAH) und/oder Kaliumhydroxid (KOH) bzw. Nitridsäure (Nitric Acid - HNA) ausgeführt werden.
Bei entsprechender trichterförmige Gestaltung der Öffnungen im unteren Deckel 32a und im oberen Deckel 32b kann so die Schallaustrittsfläche einen größeren Anteil der Chipfläche umfassen und ggf. verglichen mit MEMS-Wandlern, die einen Austritt an einer Seitenfläche aufweisen, wie etwa der MEMS-Wandler 80, größer gestaltet werden. Diese Option bietet in Bezug auf die akustischen Eigenschaften und in Bezug auf die Dämpfung weiteren Gestaltungsspielraum. Eine Kombination von Schallaustrittsöffnungen in den Deckeln 32a und 32b und den Seitenflächen zwischen den Deckelflächen 32a und 32b ist ein Merkmal weiterer Ausführungsbeispiele. Eine bevorzugte Variante für hochintegrierte Systeme kann die Anbringung von Öffnungen im Deckel 32b umfassen, um den Schall nach oben abzugeben und die Anbringung der Druckausgleichsöffnungen an der Seite umfas- sen, um das Bauelement einfach, beispielsweise auf eine gedruckte Leiterplatte aufbringen zu können.
Generell können die Schalleintrittsöffnungen bzw. Schallaustrittsöffnungen 26 so gestaltet werden, dass die akustischen Eigenschaften und/oder die Dämpfungseigenschaften gezielt eingestellt werden. Die unteren und/oder oberen Schichten 32a und 32b können prinzipiell ebenfalls schwingungsfähig sein. Die Schwingung dieser Elemente kann durch geeignete zusätzliche Verbindungselemente in den dazwischenliegenden Schichten 34a und 34b bzw. 36 unterdrückt bzw. reduziert werden, etwa durch die Ankerelemente 84. Die Unterdrückung oder Reduzierung kann umfassen, die Schwingung in einen Frequenzbereich zu verschieben, der außerhalb des Hörschalls liegt. Alternativ oder zusätzlich kann die Schwingung der Schichten 32a und/oder 32b auch gezielt zur Optimierung der akustischen Abstrahlung implementiert sein, wobei ebenfalls gezielte Verbindungen in den Schichten einsetzbar sein können und zusätzlich die Steifigkeit bzw. die akustischen Eigenschaften der Schichten 32a und 32b durch entsprechende Strukturierung (durchgehende Öffnungen oder Sacklöcher) einstellbar sein können.
Außerdem ist es möglich, auf den oberen Deckel 32b eine Membran aufzubringen, welche dann durch den Volumenstrom 12 der Kammern zu einer Schwingung angeregt wird. Dies ist schematisch durch die gestrichelte Linie 104 angedeutet. In einem einfachen Fall kann dazu auf dem oberen Deckel 32b ein Abstandshalter in Form eines Rahmens oder Spacers (Abstandshalter) 106 angeordnet sein, an dem die Membran 104 angeordnet oder aufgespannt sein kann. Die Herstellung einer solchen Membran 104 kann mit bekannten mikromechanischen Prozessen erfolgen. Alternativ kann die Membran 104 auch im Inneren der Kavität oder Teilkavität angeordnet sein und/oder lediglich eine oder einen Anteil der Öffnungen 26 bedecken.
Für manche der vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der MEMS-Wandler (etwa MEMS-Lautsprecher-Bauelemente) kann gelten, dass es Kammern gibt, welche unabhängig von einigen, mehreren oder allen anderen Kammern einen Teilvolumenstrom erzeugen können, etwa in Teilkavitäten oder Teilkavitätsabschnitten. Es können Kammern realisiert sein, welche aus in lateraler und/oder vertikaler Richtung zusammenhängenden Teilkammern bestehen (lateral siehe beispielsweise Fig. 10 und 1 1 ) (vertikal siehe beispielsweise Fig. 14), wobei Ausführungsbeispiele auch eine Kombination hiervon zeigen. Solche zusammenhängenden Teilkammern (etwa die Teilkavitätsabschnitte 94a und 94b) können genutzt werden, um einen von anderen Kammern oder Teilkammern unabhängi- gen oder abhängigen Teilvolumenstrom zu erzeugen. Ein Fall, in welchem eine Kammer (Teilkavität) einen Volumenstrom unabhängig voneinander erzeugen kann, kann als Mo- no-Kammer bezeichnet werden. Eine Kammer, die basierend auf mehreren Teilkammern (Teilkavitätsabschnitte) einen Volumenstrom erzeugen kann, kann als Komposit-Kammer bezeichnet werden.
Vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiele sind so modifizierbar, dass beide Arten von Kammern beliebig kombinierbar sind. Es sind also Ausführungsbeispiele möglich, bei welchen ausschließlich Mono-Kammern oder ausschließlich Komposit-Kammern ange- ordnet sind. Alternativ sind Ausführungsbeispiele realisierbar, bei denen beide Kammerarten angeordnet sind.
In andere Worten können bei Verwendung von ausschließlich Mono-Kammern die Resonanzfrequenzen aller Aktor-/Kammersysteme identisch sein oder auch unterschiedlich gestaltet werden. So können beispielsweise bestimmte Frequenzbereiche in der Schallabstrahlung durch eine vermehrte Anzahl entsprechender Mono-Kammern hervorgehoben werden. Insbesondere kann durch entsprechende Verteilung der Resonanzfrequenzen und die Breite der Resonanzkurven via der Dämpfung z. B. durch die Dimensionierung der Gitteröffnungen oder allgemein der Schallaustrittsöffnungen bzw. der Strö- mungskanäle eine Gestaltung des Frequenzverlaufs (Schalldruckpegel als Funktion der Frequenz) erreicht werden. Vor allem die Glättung des Frequenzverlaufs spielt dabei eine wesentliche Rolle.
Teilkavitäten und/oder Teilkavitätsabschnitte können basierend auf räumlichen Ausdeh- nungen der Volumina, einer Geometrie der elektromechanischen Wandler und/oder einer Frequenz mit der die elektromechanischen Wandler betrieben werden, den Volumenstrom mit unterschiedlicher Frequenz aussenden und/oder auf die Erfassung bestimmter Frequenzen des Volumenstroms optimiert sein. In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind ausschließlich Mono-Kammern verwendet. Die Schallaustrittsöffnungen können ausschließlich seitlich angeordnet sein. Drei Chips/Scheiben (MEMS-Wandler) können übereinander gestapelt sein. Der obere Chip kann für eine Schallabstrahlung in einem ersten (etwa hohen Frequenzbereich) optimiert sein. Ein zweiter, etwa mittlerer, MEMS-Wandler kann einen zweiten Frequenzbereich (etwa mittlere Frequenzen) angepasst sein. Ein dritter MEMS-Wandler kann für einen dritten Frequenzbereich angepasst sein, etwa für tiefe Frequenzen. Damit kann ein Drei- Wege-Lautsprecher erhalten werden. Die Anordnung der drei Kanäle (drei MEMS- Wandler) könnte ebenso in einem Chip geschehen, indem lateral eine erste Anzahl Ni von Kammern für die hohen Frequenzen, eine zweite Anzahl N2 von Kammern für mittlere Frequenzen und eine dritte Anzahl N3 für tiefe Frequenzen verwendet wird. Dieses Prinzip ist für ein N-Wegesystem in lateraler und bei Stapelung auch in vertikaler Richtung einfach erweiterbar. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein N-Wegesystem so ausgestaltet, dass der Schall über Fouriersynthese der entsprechenden Harmonischen mit den Frequenzen N*fi erzeugt werden, wobei fi die niedrigste Frequenz darstellt. Das bedeutet, dass ein MEMS-Wandler mit zumindest einem weiteren MEMS-Wandler zu einem Stapel angeordnet sein kann, wobei ein Stapel bspw. durch eine Anordnung von zumindest zwei MEMS-Wandlern entlang einer lateralen Richtung (etwa der x-Richtung) und/oder einer Dickenrichtung (etwa der z-Richtung) erhalten werden kann. Alternativ können die MEMS-Wandler auch beabstandet von einander angeordnet sein. Die Kavität des MEMS-Wandlers und die Kavität des zumindest einem weiteren (zweiten) MEMS- Wandlers können eine von einander verschiedene Resonanzfrequenz aufweisen.
Bei einem Aktorbetrieb, d. h., die verformbaren Elemente werden aktiv verformt, kann ein N-Wege Lautsprecher erhalten werden, wobei N eine Anzahl von MEMS-Wandlern mit voneinander verschiedenen Resonanzfrequenzen bezeichnet. Bei einem Sensorbetrieb können bspw. voneinander verschiedene Frequenzbereiche des Volumenstroms mit verschiedenen MEMS-Wandlern erfasst werden. Dies ermöglicht bspw. eine Fouriersynthese des Volumenstroms. Bspw. kann die Steuervorrichtung 128 ausgebildet sein, um die Verformung der verformbaren Elemente eines oder mehrerer der elektromechanischen Wandler des MEMS-Wandlers und des weiteren MEMS-Wandlers zu erfassen. Die Steuervorrichtung kann ausgebildet sein, um eine Fouriersynthese (Fourieranalyse) basierend auf den elektrischen Signalen zu berechnen und ein Ergebnis auszugeben.
Die eben dargestellten Beispiele unter Verwendung von Mono-Kammern können ebenso bei Verwendung von Komposit-Kammern realisiert werden, wobei die einzelnen Teilkammern einer Komposit-Kammer identische Resonanzfrequenzen aufweisen.
Bei Verwendung von Komposit-Kammern können die zusammenhängenden Teilkammern aber auch unterschiedliche Frequenzen durch entsprechende Lage der Resonanzmaxima unterstützen. So könnten beispielsweise drei Teilkammern ein Drei-Wege-System darstellen. Der z. B. in der hinteren Teilkammer (erster Abschnitt entlang einer axialen Ausdeh- nung) tieffrequent modulierte Luftstrom würde in der mittleren Teilkammer (zweiter Abschnitt entlang einer axialen Ausdehnung) zusätzlich eine mittelfrequente und im vorderen Teil der Kammer (dritter Abschnitt entlang einer axialen Ausdehnung) zusätzlich eine hochfrequente Modulation erfahren.
Bei hohen Frequenzen kein ein erforderlicher Hub, also eine Auslenkung der elektrome- chanischen Wandler geringer sein, als bei tiefen Frequenzen, um den gleichen Schalldruck zu erzeugen. Die Kammern oder Teilkammern, welche für hohe Frequenzen eingesetzt werden, können damit mit geringerem Kammervolumen bzw. Abstand der die Kam- mer eingrenzenden aktorischen Seitenwände gestaltet werden.
Beim Betrieb kann zwischen Kammern gleicher Frequenz ein Phasenversatz über die Ansteuerung eingebracht werden, so dass die Wellenfront verkippt wird und nicht senkrecht zur Oberfläche austritt (Phased-Array).
In allen bisher und im Folgenden vorgestellten Varianten ist jede Kammer von mindestens einer zweiten Kammer umgeben, in welche zum Druckausgleich Luft einströmt, wenn in die erste Kammer Luft einströmt bzw. anders herum. Offensichtlich ist dies vor allem dann, wenn zwischen diesen Kammern keine Trennwände existieren, da ein Aktor bei seiner Bewegung das Volumen der einen Kammer vergrößert und dabei gleichzeitig das Volumen der anderen Kammer verringert bzw. anders herum.
Für den Einsatz z. B. als Lautsprecher in Hörgeräten oder In-Ear-Kopfhörern wird häufig die Außenluft (also die außerhalb des Ohres) nicht durch den Lautsprecher bewegt. Viel- mehr wird lediglich durch die Schwingung z. B. einer Membran das Volumen im Ohrkanai periodisch variiert. Dies kann bei allen dargestellten und im Folgenden vorgestellten Varianten erfolgen, indem die entsprechenden Öffnungen, die bei den dargestellten Varianten entweder auf einer Chipoberseite, einer Chipunterseite oder an einer Chipseitenflächen liegen, verschlossen bleiben. Dazu ist lediglich an diesen Stellen auf die Strukturierung der Stabgitter zu verzichten.
Generell gilt und für alle Lautsprechereinsatzgebiete gilt, dass Stabgitter an bestimmten Stellen oder komplett auch durch eine geschlossene Membran ersetzt werden können. Damit wird die Partikelempfindlichkeit maximal reduziert und der Betrieb insbesondere auch in kontaminierenden bzw. korrosiven Gasen und Flüssigkeiten ermöglicht. Im Folgenden werden Maßnahmen im Design und dem Betrieb der Biegeaktoren vorgestellt, welche zum Ziel haben den gewünschten Frequenzgang möglichst gut darstellen zu können. Durch Einbinden mehrerer zusätzlicher Federelemente, welche den Biegeaktor in einzelne Elemente einteilt, kann die effektive Steifigkeit der Aktoren und damit die Resonanzfrequenz verringert werden. Beispielhaft sei auf Abbildung 15 verwiesen, wo ein einzelnes Federelement eingesetzt wurde, um den Biegeaktor in zwei Elemente zu teilen. Die Einteilung in zwei oder mehr Elemente ist zum Erreichen einer Resonanzfrequenz im niedri- gen Frequenzbereich des Hörschalls wichtig, da die Biegeaktoren ohne eine solche Maßnahme bei üblichen Dimensionen der Biegeaktoren (z. B. Breite 5 μηη, Länge 2 mm, Material Silizium) Eigenfrequenzen im kHz-Bereich aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann gezielt ein zusätzliches Masseelement am Biegeaktor oder auch an der ggf. vorhandenen starren Platte vorgesehen werden, um die Resonanzfrequenz zu verringern. Ein solches Element kann in einfacher Weise bei der Strukturierung der Schicht 36 vorgesehen werden. Die Wirkungsweise einer zusätzlichen Masse Am kann an einem Modell des Harmonischen Oszillators erläutert werden.
Die Schwingungsamplitude Α(ω) eines Elements der Masse m, das über eine Feder der Steifigkeit k aufgehängt ist, ist bei sinusförmiger Anregung mit einer Kraft der Amplitude F0 gegeben als:
Figure imgf000056_0001
Dabei ist ω die Kreisfrequenz der Anregung und c die Dämpfungskonstante. Wird der Resonator im quasistatischen Bereich betrieben, so ist die Amplitude unabhängig von der Masse. Es gilt für ω « ω0:
Α(ω) « F0 / k (Gig. 4)
Eine zusätzliche Masse Am ändert also die Eigenfrequenz co0 auf den niedrigeren Wert ω0-, die Amplitude der Schwingung bleibt allerdings unverändert. Anders stellt sich die Situation dar, wenn der Biegeaktor im Bereich seiner Eigenfrequenz betrieben wird. Für ω « ω0 kann der erste Term in der Wurzel von Gig. 3 gegen den zweiten Term vernachlässigt werden und es gilt: Α(ω) « F0 / (c ω0.) (Gig. 5)
Da ω0- umgekehrt proportional zur Wurzel aus der Masse des Schwingers ist, bewirkt eine Erhöhung der Masse eine entsprechende Verringerung von o0- und somit eine Zunahme der Amplitude. Der Mehrgewinn an Amplitude ergibt sich unter der Bedingung c co0. < k. Weiter oben wurde bereits die Möglichkeit beschrieben, dass die Biegebalken so aufgebaut werden, dass sie sich je nach Adressierung bzw. Signal in die eine oder andere Richtung verbiegen können. Damit ist die Rückstellkraft nicht mehr notwendigerweise über die mechanische Federwirkung bei Verbiegung des Balkens aufzubringen. Umso geringer die Steifigkeit eines solchen Biegebalkens gewählt wird, umso größer ist bei fester einkoppelbarer Energie die Auslenkung.
Während alle Überlegungen sich auf den Hörschallbereich bezogen haben, ist es vorstell- bar das Bauelement auch für die Generation von Ultraschall auszulegen. Prinzipiell ist es auch denkbar, dass statt Aktoren Balken mit positionssensorischen Elementen versehen werden (z. B. piezoresistiv, piezoelektrisch, kapazitiv etc.), um dann ein Bauelement als Mikrophon zur Verfügung zu stellen. Für den Kern der Herstellung der MEMS-Lautsprecher in Siliziumtechnologie kann auf bekannte Waferbondverfahren und tiefes reaktives lonenätzen zurückgegriffen werden. Die Herstellung der Aktoren hängt vom gewählten Wirkprinzip ab und wird zunächst ausgeblendet. Dieser Teil kann modular in den folgenden beispielhaften Ablauf eingebunden werden. Die folgende Darstellung bezieht sich auf ein Bauelement mit ausschließlich seit- liehen Öffnungen für den Luftstrom.
Als Ausgangsmaterial werden BSOI (Bonded Silicon on Insulator, verbundenes Silizium auf einem Isolator) Scheiben eingesetzt. Die Trägerscheibe (Handle-Wafer) bildet den unteren Deckel 32a des MEMS-Lautsprecher-Bauelements. Die vergrabene Oxidschicht der BSOI-Scheibe kann später als Abstandsschicht 34a fungieren. Die aktive Schicht der BSOI-Scheibe kann der Schicht 36 entsprechen. Die Trägerscheibe kann eine Dicke von 500 bis 700 pm aufweisen und kann bei Bedarf - evtl. am Ende des Prozesses - weiter abgedünnt werden. Die vergrabene Oxidschicht kann eine Dicke von 50 nm bis 1 pm aufweisen. Die aktive Schicht der BSOI-Scheibe kann eine Dicke von 1 bis 300 pm aufwei- sen. Die Schicht 36 wird bspw. vorzugsweise mit tiefem reaktiven lonenätzen (DRIE) strukturiert. Nach dieser Strukturierung kann die vergrabene Oxidschicht (34a) mindes- tens lokal im Bewegungsbereich der Aktoren entfernt oder wenigstens abgedünnt werden. Dies kann nasschemisch, z. B. mit BOE (Buffered Oxide Etch - gepufferte HF-Lösung) oder trockenchemisch, z. B. mittels gasförmiger HF (Flusssäure), erfolgen. Nach zumindest teilweiser Entfernung der Abstandsschicht 34a im Bewegungsbereich der Aktoren kann z. B. über eine Gasphasenabscheidung (chemische Gasphasenabscheidung, Chemical vapour deposition - CVD oder Atomlagenabscheidung, atomic layer deposition - ALD) eine reibungsarme Schicht abgeschieden werden, welche den Spalt zwischen der Schicht 34a und den Aktoren (verformbaren Elementen) verschließt bzw. stark verringert. Alternativ können schon bei der Bondung der Scheiben für die Herstellung der BSOI- Scheiben durch Abscheidung und Strukturierung geeigneter Schichten Bereiche definiert werden, in denen keine Bondung erfolgt, wie es bspw. in US 7,803,281 B2 beschrieben ist. Ein solches Verfahren kann für oberen und unteren Deckel eingesetzt werden. Die Schicht 34b wird bspw. vorzugsweise mittels reaktivem lonenätzen (RIE) strukturiert. Mit diesen beiden Strukturierungen sind alle Elemente in der Schicht 36 und 34b wie in den entsprechenden Abbildungen dargestellt, hergestellt. Dies schließt auch die stabförmige Gitterstruktur ein.
Die vorab beschriebene Abscheidung einer reibungsarmen Schicht kann auch für den oberen Deckel (Schicht 32b) eingesetzt werden. Diese wird dann z. B. auf den Deckel vor Bonding aufgebracht. Auf die Abstandsschicht 34b kann dann verzichtet werden. Bspw. kann eine reibungsarme Schicht durch Abscheidung eines Materials erhalten werden. Ein Reibungswert kann bspw. 10 %, 20 % oder 50 % geringer sein, als bei einem Material der Schichten 32a, 34a, 34b oder 32b. Die Schicht 36 kann bei entsprechender Dotierung auch als elektrischer Leiter verwendet werden. Vor allem dann, wenn Aktoren mit unterschiedlichen Frequenzen angeregt werden sollen, ist eine vertikale elektrische Isolation in Schicht 36 vorteilhaft. Dies kann z. B. durch sogenannte gefüllte Gräben, wie in [8] beschrieben, erreicht werden. Auch die Verwendung von offenen Gräben zur elektrischen Isolation stellt eine Möglichkeit dar.
Auf eine zweite Scheibe, die als eine Siliziumscheibe mit einer typischen oder möglichen Dicke von 500 bis 700 pm gebildet sein kann und bspw. den oberen Deckel 32b bilden wird, wird eine Schicht aufgebracht und strukturiert. Diese Schicht entspricht der Abstandsschicht 34b. Die Dicke dieser Schicht entspricht vorzugsweise der der vergrabenen Oxidschicht. Als Material für die Abstandsschicht stehen alle Materialien zur Verfügung, welche das später zu erfolgende Bonden der zweiten Scheibe auf die BSOI-Scheibe er- möglicht. Beispielhaft ist hier genannt Siliziumoxid, vorzugsweise thermisches Oxid für das Direktbonden von Siliziumoxid auf Silizium. Alternativ kann für das Direktbonden auch Polysilizium eingesetzt werden. Eine weitere Alternative besteht darin in die zweite Scheibe geeignete Vertiefungen zu ätzen, so dass aus der Scheibe die Funktion sowohl des oberen Deckels 32b als auch die Funktion der Abstandsschicht 34b abgebildet wird. Auf diese Vertiefungen kann mindestens im Bereich der Aktorbewegung verzichtet werden, wenn die Scheibe an diesen Stellen mit einer geeignet reibungsarmen Schicht beschichtet wird, so dass auf den Abstand zwischen Aktor (beweglichem Element) und Deckel (Schichten 32a und/oder 32b) verzichtet werden kann. Auf eine weitere Schicht auf der zweiten Scheibe - abgesehen von Hilfsschichten (Maskierung) für die Strukturierung - kann dann abgesehen werden. Damit ist außerdem die Direktbondung von Silizium auf Silizium möglich.
Neben dem Direktbonden ist es auch möglich Klebebondverfahren einzusetzen, so dass dann die Abstandsschicht 34b aus einem polymeren Material (z. B. BGB) besteht. Denkbar, aus Gründen der nicht vorhandenen CMOS-Kompatibilität aber nicht bevorzugt, sind außerdem Au-Si eutektische Bondverfahren oder anodische Bondverfahren (Na-Ionen haltige Schichten). Nach Bonden der beiden Scheiben ist der Kern der Herstellung im Scheibenverbund abgeschlossen. Nicht ausgeführt wurde die Herstellung der elektrischen Verdrahtung und Kontakte und eventuell erforderliche elektrische Isolationsstrukturen. Diese Elemente können durch bekannte Standardprozesse nach dem Stand der Technik zur Verfügung gestellt werden: Hersteilung von Leitbahnen z. B. mittels Sputtern und Strukturierung von AlSiCu, vertikale Isolationen durch Abscheidung und Strukturierung von Oxiden, laterale Isolationen durch offene oder gefüllte Isolationsgräben, welche die Schicht 36 komplett durchdringen.
Die Vereinzelung der Bauelemente mit seitlich angebrachten Öffnungen erfordert insbe- sondere den Schutz der Stabgitter. Dies wird z. B. ermöglicht, indem das Bauelement innerhalb eines Rahmen mit diesem z. B. über vier dünne Stege verbunden ist. Dazu sind unterer Deckel 32a und oberer Deckel 32b, sowie die Schichten 34a, 36 und 36b entsprechend zu strukturieren. Für diese Strukturierung kommen vor allem anisotrope Ätzverfahren, wie z. B. TMAH, KOH und DRIE in Frage. Speziell für die Strukturierung entlang der Stabgitter ist die DRIE-Strukturierung der Schicht 36 die bevorzugte Variante. Zum Her- auslösen der Bauelemente aus dem Scheibenverbund werden die Stege zerstört. Dies kann z. B. mechanisch oder mittels Laserbearbeitung erfolgen.
Auch ist es denkbar den unteren Deckel 32a für die Vereinzelung nicht zu strukturieren, sondern nur die Schichten 34a, 36, 34b und 32b. Speziell die Schicht 36 kann mittels DRIE strukturiert werden, um den senkrechten Verlauf der Stabgitter zu realisieren. Von der Chipoberfläche aus ergibt sich dann ein Graben, welcher auf dem unteren Deckel 32b endet. Dieser Graben kann jetzt mit einem polymeren Material (z. B. Photolack) gefüllt werden. Das Polymer dient zum Schutz vor Verschmutzung beim anschließenden Säge- Vereinzelungsprozess. Nach dem Sägen werden die Bauelemente gespült und gereinigt, um den Sägeschlamm zu entfernen. Anschließend wird das Polymer durch geeignete Lösungsmittel oder in einem Sauerstoffplasma entfernt.
Werden statt der seitlichen Öffnungen Öffnungen im unteren und oberen Deckel verwen- det, so ist die Herstellung zu erweitern, wie bereits im Kontext der Abbildung 16 beschrieben. Für die Vereinzelung können untere und obere Öffnung z. B. durch eine Folie geschützt werden, sodass Sägeprozesse oder Laserschneiden möglich sind. Alternativ können die Öffnungen auch durch ein polymeres Material, z. B. Photolack, für den Vereinzelungsprozess verschlossen werden und im Anschluss durch ein Lösungsmittel oder im Sauerstoffplasma wieder entfernt werden.
Die Stapelung von Bauelementen erfolgt vorzugsweise im Scheibenverbund durch Bondverfahren. Die elektrische Kontaktierung kann dann entweder durch elektrische Kontakte (Bondpads) in der jeweiligen Schicht 36 erfolgen oder bei Verwendung von TSVs (Through-Silicon-Vias) auch über sogenannte Bumps auf der Chipunterseite. Zur elektrischen Verbindung der gestapelten Einzelchips können ebenfalls TSVs verwendet werden. Bei nicht gestapelten Chips können ebenfalls TSVs und Bumps eingesetzt werden.
Um eine höhere Stabilität der Stabgitter 54 zu erreichen, können die Abstandsschichten 34a und 34b im Bereich der Stabgitter unstrukturiert bleiben.
Im Folgenden sind bevorzugte Ausgestaltungsvarianten für die Herstellung der lateralen Biegeaktoren beschrieben. Prinzipiell können bekannte elektrostatische, piezoelektrische, thermomechanische und elektrodynamische Wirkprinzipien für die Aktuation der Biegebalken eingesetzt werden. Ein einfaches elektrostatisches Wirkprinzip kann für einen Teil der oben gezeigten Bauelementvarianten auch ohne aktive Biegebalken realisiert werden. Der MEMS-Wandler 50 kann so ausgeführt sein, dass starre Plattenelemente 62a und 62b als Kondensatorplat- ten ausgeführt sind oder Kondensatorplatten aufweisen, die sich aufgrund einer elektrischen Potentialdifferenz so weit aufeinander zu bewegen, bis die durch die dann als Biegefeder agierenden Elemente 64 eine entsprechende mechanische Gegenkraft aufweisen. Alternativ können die Biegebalken über eine zusätzlich angeordnete, feste Gegenelektrode direkt ausgelenkt werden. Auch der Einsatz von Kammelektroden zur Erhöhung der Kräfte bzw. der Auslenkung ist denkbar.
Ein weiteres elektrostatisches Prinzip beruht auf dem Einsatz eines einseitig eingespann- ten Balkens, der an seiner Einspannung einen sehr geringen Abstand zu einer Elektrode hat und sich dieser Elektrodenabstand mit zunehmendem Abstand von der Einspannung vergrößert. Dabei kann der Abstand an der Einspannung Null betragen. Liegt zwischen dem Biegebalken und der Elektrode eine elektrische Spannung an, so schmiegt sich ein durch die Höhe der elektrischen Spannung und die Steifigkeit des Balkens bestimmter Teil des Biegebalkens an die Elektrode. Der Raum zwischen Balken und Elektrode bildet bezogen auf das hier beschriebene Prinzip die Kammer 42a welche in ihrem Volumen wie beschrieben verändert werden kann.
Ein Grundprinzip derartiger Aktuatoren ist bspw. in der Literatur beschrieben. In [9] wer- den beispielsweise vertikal auslenkende Aktoren vorgestellt. Die Variation des Elektrodenabstands wird durch gezielte Einbringung von Schichtspannungen bei der Herstellung der Biegebalken realisiert. Für das im Rahmen dieser Anmeldung beschriebene Bauelement könnten Aktoren nach diesem Prinzip leicht durch entsprechende Strukturierung der Schicht 36 realisiert werden. Zusätzlich zu der ohnehin erforderlichen Strukturierung der Schicht 36 ist eine Isolationsschicht zwischen die Elektrode und den Biegebalken aufzubringen, was durch bekannte Verfahren der Mikrosystemtechnik einfach umzusetzen ist. Das Einbringen einer Schichtspannung ist nicht erforderlich, da die Biegebalken bereits durch die Strukturierung die gewünschte Form erhalten. In der hier beschriebenen Art sind die Aktoren lateral auslenkbar und damit für das weiter oben beschriebene Bauele- mentprinzip einsetzbar. Bezüglich Integration und Skalierbarkeit für hohe Stückzahlen bietet das elektrostatische Wirkprinzip eine hohe Anzahl von Vorteilen. Es werden keine externen Komponenten, wie Magnete oder Spulen benötigt und es sind keine für Reinräume und insbesondere CMOS- kompatible Reinräume kontaminationskritische Materialien erforderlich. Der bis dato ver- folgte Membranansatz weist jedoch einige Nachteile auf. Dazu zählt, dass mit einer einzelnen schwingenden Membran oder Platte der gesamte Hörschalibereich nur ungenügend abgedeckt werden kann. Der Ansatz die Membran oder die Membranen quasistatisch zu betreiben löst dieses Problem allerdings aufgrund der fehlenden Resonanzüberhöhung zu Lasten der Auslenkung und damit zu Lasten des erreichbaren Volumenstroms bzw. des erreichbaren Schallpegels. Letztere hängen für ein festes Volumen, wie z. B. für In-Ear-Kopfhörer wie folgt zusammen [1 1 ]:
Figure imgf000062_0001
SPL steht dabei für„Sound Pressure Level" (Schalldruck), P0 ist der Normaldruck, AM ist die erzielbare Volumenänderung durch den Lautsprecher, Pref ist der Referenzdruck, der ein Maß für die Hörschwelle angibt, er beträgt 20 pPa, V0 ist im Fall von In-Ear- Kopfhörern oder Hörgeräten das Volumen der Ohrhöhle und entspricht etwa 2 cm3. In Bezug auf MEMS-Lautsprecher ist es also erstrebenswert einen möglichst hohen Volumenstrom pro Chipfläche bzw. pro Volumen des gesamten Lautsprechers zu erreichen. Elektrodynamische Wandler können beispielsweise sehr hohe Membranauslenkungen erzielen und damit einen hohen Volumenstrom. Das Volumen des Gesamtaufbaus ist aufgrund der erforderlichen Permanentmagnete jedoch sehr groß. Für Lautsprecher in Mobiltelefonen, die perspektivisch in einer Dimension immer weniger Platz bieten, erscheint dieser Ansatz generell beschränkend.
Piezoelektrische Biegeaktuatoren erfordern die Abscheidung einer piezoelektrischen Schicht auf einem Substrat. Diese piezoelektrische Schicht könnte zum Beispiel der Schicht 58 aus Fig. 3 entsprechen, welche dann seitlich zur bspw. Silizium umfassende oder daraus bestehenden Schicht 56 angeordnet ist. Die Herstellung solcher Aktoren ist mit oberflächenmikromechanischen Prozessen möglich.
Laterale thermomechanische Aktoren in Form eines kalten und eines warmen Arms, wie z. B. in [10] beschrieben, können sehr einfach integriert werden, indem bei der weiter oben beschriebenen DRIE-Strukturierung der Schicht 36 die entsprechenden Geometrien berücksichtigt werden.
Eine weitere Variante für thermomechanische Aktoren besteht in der Verwendung von Bimorphen, weiche durch elektrischen Strom erwärmt werden. Für die Herstellung eines solchen Bimorphs könnte beispielsweise nach Strukturierung der Schicht 36 eine Oxidschicht konform abgeschieden werden, so dass auch alle Seitenwände beschichtet werden. Diese Oxidschicht könnte dann überall außer an der einen Seitenwand des Biegeelements durch Maskierungs- und Ätzverfahren entfernt werden.
Der Einsatz eines elektrodynamischen Wirkprinzips ist einfach für die beidseitig eingespannten Biegebaiken umsetzbar. Bei Stromfluss durch die Balken oder durch eine separat aufgebrachte Leiterstruktur erfahren die Balken in einem Magnetfeld eine Kraft, welche zur Auslenkung führt. Die Richtung des Stromflusses kann für die einzelnen Balken ge- mäß der gewünschten Auslenkungsrichtung gewählt werden. Die optionale Herstellung der Leiterbahnen erfolgt mit Standardprozessen der Oberflächenmikromechanik. Die zusätzliche Topographie ist in dem Fall bei der Wahl der Dicke der Abstandsschicht 34b zu berücksichtigen. Die bevorzugte Ausführung für den Biegeaktor ist ein lateraler elektrostatischer Aktuator, welcher auf der Nutzung sehr geringer Elektrodenabstände beruht und damit bei geringen Spannungen arbeiten und betrieben werden kann. Solche lateralen Aktoren sind bspw. in EP 2 264058 A1 beschrieben. Diese Technologie erlaubt die Herstellung aller oben beschriebenen Biegeaktor- und Bauelementvarianten und kann in einfacher Weise modular in den oben beschriebenen Kernteil des Herstellungsprozesses der Bauelemente integriert werden.
Im Folgenden wird Bezug genommen auf die Umströmungsverluste bei der Bewegung der Seitenwände, d h., der verformbaren Elemente. Unter der Annahme laminarer Strö- mung kann in einem einfachen Modell gezeigt werden, dass die Umströmungsverluste, etwa Volumenströme von Kammer 42a zu Kammer 38a in Fig. 2a im Vergleich zu den Nutz- Volumenströmen, also der Volumenstrom, der nach außen dringt bzw. von außen nach innen dringt, geeignet gering gehalten werden können, wenn die Abstandsschichten 34a und 34b im Vergleich zur Dicke der Schicht 36 klein sind. Dasselbe gilt für den Ab- stand am gegebenenfalls freien Ende eines Biegebalkens zur lateral begrenzenden Struktur. Letzteres kann bei beidseitig eingespannten Biegeaktoren entfallen. Werden für diese Konfiguration im Modell einer laminaren Strömung durch rechteckige Rohre die Strömungsverluste berechnet, so kann sich bezogen auf den Nutz-Volumenstrom ein Verlust durch Umströmungen von etwa 3 % ergeben, wenn für die Dimensionen Folgendes angenommen wird:
Biegeaktor: Länge 1 mm, Höhe: 30 μιη, Breite 10 pm
Kammer: Für die Berechnung des Strömungswiderstands nach außen wurde eine mittlere Breite von 50 μπι angenommen. Dies unterschätzt den Strömungswiderstand bei großer Auslenkung der Biegeaktoren.
Schichtdicken der Abstandshalter 34a und 34b: je 0.5 μηη
Die angenommenen Dimensionen sind lediglich beispielhaft zu verstehen und sehr gut mit mikromechanischen Technologien realisierbar. Die Annahme laminarer Strömung könnte aufgrund der geringen Breite der Aktoren (oben: 10 μητι), welche der Rohrlänge entspricht, inkorrekt sein. Diese Annahme ist jedoch eine Worst-Case-Annahme, da beim Auftreten von Turbulenzen der Strömungswiderstand zunimmt. Um solche Turbulenzen zu motivieren können die Biegeaktoren in der Schicht 36 mit geeigneten lateral ausgebildeten Ele- menten versehen werden. Als geeignet sind Anordnungen anzusehen, welche bei Um- strömung Wirbel bilden. Alternativ oder ergänzend kann eine bewusste Aufrauhung der zur Kammer zeigenden Fläche des Deckels 32a und 32b die Ausbildung einer turbulenten Strömung befördern. Fig. 15 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines verformbaren Elements 150, das eine erste Schicht 1 12 und eine zweite Schicht 1 14 aufweist, die über Verbindungselemente 1 16 miteinander beabstandet und verbunden sind, wobei die Verbindungselemente 1 16a-c mit einem Winkei von Φ 90° zu der Schicht 1 14 und der Schicht 1 12 angeordnet sind. Beispielsweise können die Schichten 1 12 und 1 14 eine Elektrode aufweisen. Alternativ kann jeweils eine Elektrode an den Schichten 1 12 und/oder 1 14 angeordnet sein. Basierend auf einem Anlegen eines elektrischen Potentials kann eine abstoßende oder anziehende Kraft zwischen den Schichten 1 12 und 1 14 erzeugt werden. Die anziehende oder abstoßende Kraft kann zu einer Verformung der Elemente 1 16a-c führen, so dass ein von einem eingespannten Ende 1 18 abgewandtes auslenkbares Ende 122 des verformbaren Elements 144 entlang der lateralen Bewegungsrichtung 24 auslenkbar ist. Das bedeutet, dass das verformbare Element 150 eine erste Schicht 1 14 und eine zweite Schicht 1 16 aufweisen kann, wobei zwischen der ersten Schicht 1 14 und der zweiten Schicht 1 16 Abstandshalter 1 16a-c angeordnet sein können. Die Abstandshalter 1 16a-c können in eine Neigungsrichtung 124 schräg zu einem Verlauf der Schichten 1 12 und 1 14 angeordnet sein. Eine Anziehungskraft zwischen den Schichten 1 12 und 1 14 kann eine Biegung des verformbaren Elements 150 bewirken.
Das verformbare Element 150 kann entlang der Neigungsrichtung eben oder einfach gekrümmt ausgebildet sein. Alternativ kann das verformbare Element bzw. die Schichten 1 12 und/oder 1 14 auch zumindest zwei diskontinuierlich aneinander angeordnete Abschnitte aufweisen, etwa einem Sägezahnmuster folgend.
Fig. 16 zeigt eine schematische Aufsicht auf ein verformbares Element 160, das benachbart zu einer Elektrode 126 angeordnet ist. Das verformbare Element 160 kann eine wei- tere Elektrode 127 aufweisen oder die weitere Elektrode 127 sein. Basierend auf einem angelegten elektrischen Potential zwischen der Elektrode 126 und der weiteren Elektrode 127 des verformbaren Elements 160 kann eine elektrostatische oder elektrodynamische Kraft F erzeugt werden. Basierend auf der elektrostatischen oder elektrodynamischen Kraft F kann eine Verformung des verformbaren Elements 160 bewirkt werden.
In einem von dem Volumenstrom oder dem elektrischen Potential, d. h. der Kraft F, unbe- einflussten Zustand des verformbaren Elements 160 kann ein Abstand zwischen dem verformbaren Element 160 und der Elektrode 126 entlang der axialen Ausdehnungsrichtung 98 des verformbaren Elements veränderlich sein. In einem Bereich, an dem der me- chanische Wandler bzw. das verformbare Element 160 eine Verbindung mit dem Substrat 14 aufweist, kann der Abstand minimal sein. Dies ermöglicht eine hohe Steuerbarkeit der Verformung des verformbaren Elements 160. Alternativ kann der Abstand zwischen der Elektrode 126 und dem verformbaren Element 160 entlang der Ausdehnungsrichtung 98 beliebig variabel oder konstant sein.
Elektromechanische Wandler können gemäß Ausführungsbeispielen als elektrostatische Wandler, als piezoelektrische Wandler, als elektromagnetische Wandler, als elektrodynamische Wandler, als thermomechanische Wandler oder als magnetostriktive Wandler gebildet sein. Basierend auf einer erzeugbaren Kraft kann eine Verformung des verformbaren Elements bewirkt werden oder eine Verformung des verformbaren Elements feststellbar bzw. bestimmbar sein. Fig. 17 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines MEMS-Systems 170, das den MEMS-Wandler 80 aufweist, der mit einer Steuervorrichtung 28 verbunden ist, die ausgebildet ist, um die elektrodynamischen Wandler der ME S-Vorrichtung 80 anzusteuern und/oder um elektrische Signale von den elektrodynamischen Wandlern der MEMS- Vorrichtung 80 zu empfangen.
Weist der MEMS-Wandler 80 beispielsweise eine Vielzahl von elektromechanischen Wandler 18 auf, kann die Steuervorrichtung 128 ausgebildet sein, um die Vielzahl von elektromechanischen Wandlern so anzusteuern, dass sich ein erster und ein benachbarter zweiter elektromechanischer Wandler während eines ersten Zeitintervalls zumindest lokal aufeinander zubewegen. Die Steuervorrichtung 128 kann ausgebildet sein, um die Vielzahl von elektromechanischen Wandlern so anzusteuern, dass sich der erste elektro- mechanische Wandler und ein dritter elektromechanischer Wandler, der benachbart zu dem ersten elektromechanischen Wandler angeordnet ist während eines zweiten Intervalls aufeinander zubewegen, der erste elektromechanische Wandler kann zwischen dem zweiten und dem dritten elektromechanischen Wandler angeordnet sein. Beispielsweise kann es sich hier um die elektromechanischen Wandler 18a-c handeln, wobei der elektromechanische Wandler 18b der erste elektromechanische Wandler sein kann.
Alternativ oder zusätzlich kann die Steuervorrichtung 128 ausgebildet sein, um ein elektri- sches Signal, das auf einer Verformung des verformbaren Elementes basiert, zu empfangen und auszuwerten. Bspw. kann die Steuervorrichtung 128 ausgebildet sein, um eine Frequenz oder eine Amplitude der Verformung zu bestimmen. Das bedeutet, das System 170 kann als Sensor und/oder Aktor betrieben werden. Das System 170 kann beispielsweise als MEMS-Lautsprecher betrieben werden, wobei der Volumenstrom 12 eine akustische Schallwelle oder eine Ultraschallwelle sein kann.
Alternativ kann das System 170 als MEMS-Pumpe ausgeführt sein. Eine Kavität des Substrats kann eine erste Öffnung 26 und eine zweite Öffnung 26 in dem Substrat 14 aufwei- sen. Der elektromechanische Wandler 18 kann ausgebildet sein, um den Volumenstrom 12 basierend auf dem Fluid bereitzustellen. Der elektromechanische Wandler kann aus- gebildet sein, um das Fluid basierend auf einer Aktuierung des elektromechanischen Wandlers 18 durch die erste Öffnung 26 in eine Richtung der Kavität zu befördern oder, um das Fluid basierend auf der Aktuierung durch die zweite Öffnung in eine Richtung weg von der Kavität zu befördern.
Alternativ kann das System 170 als MEMS-Mikrophon betrieben werden, wobei basierend auf der Verformung des verformbaren Elements ein elektrisches Signal an einem An- schluss des elektromechanischen Wandlers 80 oder eines anderen angeschlossenen elektromechanischen Wandlers erhaltbar ist. Basierend auf dem Volumenstrom 12 kann die Verformung des verformbaren Elements bewirkbar sein.
Obwohl das System 170 so beschrieben ist, dass die Steuervorrichtung 128 mit dem MEMS-Wandler 80 verbunden ist, kann auch ein anderer MEMS-Wandler angeordnet sein, etwa der MEMS-Wandler 10, 20, 50, 100 oder 1 10. Alternativ oder zusätzlich kön- nen auch mehrere MEMS-Wandler gemäß vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein Stapel von MEMS-Wandler MEMS-Wandlern angeordnet sein, etwa der Stapel 90 oder 140. Alternativ oder zusätzlich können zumindest zwei MEMS-Wandler angeordnet sein. Zumindest ein erster MEMS- Wandler und ein zweiter MEMS-Wandler können Kavitäten oder Teilkavitäten und/oder elektromechanische Wandler mit voneinander verschiedenen Resonanzfrequenzen aufweisen, etwa eine Kammer mit 500 Hz-Aktoren, eine weitere Kammer oder eine weitere (Teil-)Kavität mit 2 kHz-Aktoren, etc.).
Fig. 18 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen MEMS-Wandler 180, der eine Vielzahl von elektromechanischen Wandlern 18a bis 18i aufweist, wobei die elektromechanischen Wandler 18a bis 18f lateral nebeneinander versetzt zueinander in einer ersten Kavität 16a und die elektromechanischen Wandler 18g bis 18i lateral nebeneinander versetzt zueinander in einer zweiten Kavität 16b angeordnet sind. Die Kavitäten 16a und 16b können eine Öffnung in einer nicht dargestellten Boden- und/oder Deckelfläche des Substrats 14 aufweisen. Der MEMS-Wandler 180 kann als Lautsprecher und/oder Mikrofon einsetzbar sein, was sowohl für einzelne elektromechanische Wandler 18a bis 18i als auch für die elektromechanischen Wandler 18a bis 18f oder 18g bis 18i einer jeweiligen Kavität 16a und 16b gilt. Die Lautsprecher und/oder Mikrophone können auch so ausgestaltet werden, dass es für die Abgabe bzw. Aufnahme von Schallwellen über Vibrationen optimiert ist. Z. B. kann er mit dem menschlichen Körper, idealerweise nahe an einem Knochen, platziert werden, um mittels Körperschali Informationen zu übertragen bzw. aufzunehmen. In die- sem Fall ist eine bevorzugte Variante die, in der sich alle Aktoren in jeweils die gleiche Richtung bewegen, das bedeutet unabhängig von einem Ansatz, dass eine Kammer zwei bewegliche Wände aufweist. Die elektromechanischen Wandler 18a bis 18t umfassen einseitig eingespannte Balkenelemente.
In anderen Worten enthält die linke Kammer, Kavität 16a, lateral oder vertikal bewegliche Biegeaktoren, die vorzugsweise in Phase schwingen und so den Chip in Vibration versetzen, um damit Schall zu übertragen. Die rechte Kammer, Kavität 16b, enthält drei laterale oder vertikale Biegeaktoren, die ebenfalls vorzugsweise in Phase schwingen, die jedoch durch ihre Dimensionierung (Dicke, Länge oder Breite) einen anderen Frequenzbereich als die linke Kammer abbilden.
Fig. 19 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen MEMS-Wandler 190, der eine Vielzahl von elektromechanischen Wandlern 18a bis 18i aufweist, wobei die elektromechanischen Wandler 18a bis 18f lateral nebeneinander versetzt zueinander angeordnet sind und jeweils benachbarte Kavitäten 16a bis 16k oder Teilkavitäten von einander beabstanden. Die elektromechanischen Wandler 18a bis 8i umfassen beidseitig eingespannte Balkenelemente. Obwohl die Ausführungsbeispiele der Fig. 18 und 18 so dargestellt sind, dass der MEMS- Wandler 180 ausschließlich einseitig eingespannte Balkenelemente aufweist und der MEMS-Wandler 190 ausschließlich beidseitig eingespannte Balkenelemente aufweist, sind die Ausführungsformen auch beliebig mit einander kombinierbar, so dass je Kavität 16a oder 16b unabhängig von einander gleichartige elektromechanische Wandler oder innerhalb einer Kavität verschiedenartige elektromechanische Wandler angeordnet sein können.
In anderen Worten zeigt Fig. 19 ein gleiches Prinzip wie in Fig. 18, jedoch sind diesmal beidseitig eingespannte Biegeaktoren eingesetzt.
Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Hersteilen eines MEMS-Wandlers. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Substrats, das eine Kavität aufweist. Ferner umfasst das Verfahren ein Herstellen eines elektromechanischen Wandlers, der ein sich entlang einer lateralen Bewegungsrichtung verformbares Element aufweist, mit dem Substrat. Der Schritt des Herstellens wird so ausgeführt, dass eine Verformung des verformbaren Elements entlang der lateralen Bewegungsrichtung und ein Volumenstrom, der von dem MEMS-Wandler interagiert, kausal zusammenhängen. Das Herstellen des elektromechanischen Wandlers kann bspw. durch Ausformen derselben aus dem Substrat erfolgen, etwa durch einen Ätzprozess und/oder durch einen Abschei- deprozess zum Abscheiden zusätzlicher Schichten.
Obwohl vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiele sich darauf beziehen, dass der Volumenstrom erzeugbar ist, indem sich zwei elektromechanische Wandler aufeinander zubewegen, kann der Volumenstrom auch basierend oder in kausaler Wechselwirkung mit einer Bewegung eines elektromechanischen Wandlers gegenüber einer starren Struk- tur, beispielsweise dem Substrat, erhalten werden. Das bedeutet, dass ein Volumen einer Teilkavität oder eines Teilkavitätsabschnitts von einem einzelnen elektromechanischen Wandler beeinflusst sein kann.
Vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiele, die ein verformbares Element aufwei- sen, das ausgebildet ist, um eine mehrfache Krümmung auszuführen und/oder mit einem Plattenelement verbunden ist, können verglichen mit der Konfiguration, wie sie im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrieben ist, nutzbar sein, um einen deutlich höheren Volumenstrom zu erzeugen oder um auf einen Volumenstrom deutlich sensibler zu reagieren.
Ausführungsbeispiele ermöglichen den frequenzabhängigen Verlauf des Schaildrucks flexibel einstellbar zu machen, um insbesondere auch den häufig angestrebten Fall eines möglichst flachen Frequenzverlaufs zu ermöglichen. Um eine frequenzabhängige Schalldruckkurve mit möglichst wenigen Kammern des MEMS-Wandlers seibigen möglichst flach zu gestalten, ist es vorteilhaft, wenn die Güte der schwingungsfähigen Biegebalken gering ist, d. h. die Biegebalken weisen eine breite Resonanzkurve auf. Dazu kann die Einspannung der Balken so ausgeführt werden, dass mittels eines dämpfenden Materials die Balkenschwingung zusätzlich gedämpft wird. Die Einspannung des Balkens wird dazu bevorzugt aus einem nichtkristallinen Material hergestellt. Dazu zählen Siliziumoxid, Polymere, wie z. B. SU8 oder andere Resiste. Eine Dämpfung der Balkenschwingung kann auch elektrisch erreicht werden. Beispielsweise fließt während der freien Balkenschwingung bei einem elektrostatischen oder piezoelektrischen Aktor bei anliegender Spannung aufgrund der Veränderung der Kapazität ein peri- odisch wechselnder Strom. Durch geeignet vorgesehene elektrische Widerstände entsteht eine Verlustleistung, die zur Dämpfung der Schwingung führt. Auch ein vollständiger elektrischer Schwingkreis (d. h. zusätzlich wird eine integrierte oder externe Spule vorgesehen) ist möglich. Eine Dämpfung kann auch erreicht werden, indem zusätzliche Strukturen an den Biegebalken realisiert werden, welche einen signifikanten Strömungswiderstand für das Fluid beim Ein- bzw. Ausströmen in bzw. aus der Kammer darstellen.
Gerade für die Darstellung niedriger Resonanzfrequenzen - zur Erzeugung bzw. Detektion von tiefen Frequenzen - kann es vorteilhaft sein, die Masse der Biegebalken zu erhöhen. Um dabei die Steifigkeit nicht wesentlich zu erhöhen, werden dafür vorzugsweise im Bereich der größten Schwingungsamplituden zusätzliche Strukturen angebracht. Im Falle eines einseitig eingespannten Balkens ist der optimale Ort bzw. der Bereich der größten Schwingungsamplituden das Ende des Biegebalkens. Im Fall eines zweiseitig eingespannten Balkens ist dies die Mitte des Balkens.
In anderen Worten beruht eine Erkenntnis der vorliegenden Erfindung darauf, dass durch Kompression bzw. Expansion von Kammern, d. h. Teilkavitäten oder Teilkavitätsabschnit- ten, die in einem Siliziumchip gebildet werden können, ein Volumenstrom generiert wird oder erfassbar wird. Jede Kammer kann mit einem Einlass oder Auslass versehen sein, durch den ein Fluid, etwa Luft, ein- bzw. ausströmen kann. Die Kammern können entlang einer Richtung senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung (beispielsweise oben und unten) durch einen festen Deckel verschlossen sein. Mindestens eine der seitlichen Wände jeder Kammer ist beweglich oder verformbar ausgebildet und kann durch einen Aktor so verschoben werden, dass sich das Volumen dieser Kammer verringert oder erhöht.
Vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiele von MEMS-Wandlern können elektri- sehe Verbindungen, Bondpads oder dergleichen aufweisen, die der Übersichtlichkeit halber in den Figuren nicht gezeigt sind.
Vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Mehrwegelautsprecher oder N-Wege-Lautsprecher die basierend auf unterschiedlichen Resonanzfrequen- zen von zumindest zwei Kavitäten oder Teilkavitäten erhalten werden können. Die elekt- romechanischen Wandler und die Kavitäten oder Teilkavitäten können so auf einander abgestimmt sein, dass ein Schalldruckpegel (SPL) zumindest abschnittsweise, eine Funktion der Resonanzfrequenz ist, d. h. mehrere Aktorkammern können verschiedenen Frequenzverläufe aufweisen (SPL = f(Frequenz)). Das bedeutet, dass Werte von Schall- druckpegeln, die basierend auf der Verformung der verformbaren Elemente und basierend auf der Teilkavitäten erhalten werden, einen Zusammenhang mit einer Frequenz des Volumenstroms, der aus oder in die jeweilige Teilkavität strömt, aufweisen. Der Zusammenhang kann als Funktion darstellbar sein, wobei die Funktion bspw. linear sein kann, etwa SPL = x*Frequenz + b, wobei x und b Variablen sind. Alternativ kann die Funktion auch nichtlinear sein, etwa quadratisch, exponentiell oder basierend auf einer Wurzelfunk- tion. Der funktionelle Zusammenhang kann ohne weiteres auf verschiedene Teilkavitäten oder Kavitäten, die in verschiedenen MEMS-Wandlern angeordnet sind, übertragen werden. Somit kann die Frequenz des Volumenstroms einen frequenzabhängigen Verlauf eines Drucks in dem Fluid beschreiben. Die Siliziumchips der MEMS-Wandler können so gestaltet und so aus dem Scheibenverbund, der während einer Fertigung auf Wafer-Level erhalten wird, herausgelöst werden, dass sie für die jeweilige Anwendung eine angepasste Form aufweisen. So kann der Chip z. B. für die Anwendung als Lautsprecher in Hörgeräten oder In-Ear-Kopfhörern beispielsweise rund oder, was für den Verbrauch an Siliziumfläche auf der Scheibe besser geeignet ist, hexagonal gestaltet werden.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Ein- zelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei. Albach, Thorsten Sven: Magnetostriktive Mikroaktoren und deren Anwendung als Mikrolautsprecher, Dissertation, Universität Erlangen-Nürnberg (2013).
Roberts, Robert C. et al.: Electrostatically Driven Touch-Mode Poly-SiC Microspeaker, Sensors, IEEE 2007 (2007), p. 284-287.
Kim, H. et al.: Bi-directional Electrostatic Microspeaker with Two Large-Deflection Flexible Membranes Actuated by Single/Dual Electrodes, Sensors, IEEE 2005 (2005), p. 89-92.
Rehder, J.; Rombach, P.; Hansen, O.: Magnetic flux generator for balanced mem- brane loudspeaker. In: Sensors and Actuators A: Physical 97 (2002), Nr. 8, p. 61- 67.
Neri, F.; Di Fazio, F.; Crescenzi, R.; Balucani, M.: A novel micromachined loudspeaker topology. In: 61 st Conf. on Electronic Components and Technology, ECTC, IEEE 201 1 (201 1 ), p. 1221-1227.
Neumann, J. J., Gabriel, K. J.: CMOS-MEMS Acoustic Devices, in: Advanced Micro and Nanosystems, Vol. 2. CMOS-MEMS. Edited by H. Baltes et al., Wiley-VCH Verlag, Weinheim (2005).
Lerch R.; Sessler, G.; Wolf, D.: Technische Akustik, Springer Verlag (2009).
Schenk, H. et al.: A resonantly excited 2D-micro-scanning-mirror with large deflec- tion, Sensors and Actuators A 89 (2001 ), p. 104-11 1 .
Rosa, M. A. et al.: A novel external electrode configuration for the electrostatic ac- tuation of MEMS based devices, J. Micromech. Microeng. (2004), p. 446-451.
Kumar, V.; Sharma, N. N.: Design and Validation of Silicon-on-lnsulator Based U Shaped thermal Microactuator, Int. J. Materials, Mechanics and Manufacturing, Vol. 2, No. 1 (2014), p. 86-91. Cheng, Ming-Cheng et al.: A lilicon microspeaker for hearing instruments, J. cromech. Microeng. 14 (2004), p. 859-866

Claims

Patentansprüche
1 . MEMS-Wandler zum Interagieren mit einem Volumenstrom (12) eines Fluids mit: einem Substrat (14), das eine Kavität (16) aufweist; einem elektromechanischen Wandler (18; 18a-f), der mit dem Substrat (14) in der Kavität (16) verbunden ist und ein sich entlang einer lateralen Bewegungsrichtung (24) verformbares Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) aufweist, wobei eine Verformung des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) entlang der lateralen Bewegungslichtung (24) und der Volumenstrom (12) des Fluids kausal zusammenhängen.
2. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 1 , bei dem der elektromechanische Wandler (18;
18a-f) ausgebildet ist, um ansprechend auf eine elektrische Ansteuerung (129a) kausal eine Bewegung des Fluids in der Kavität (16) zu bewirken und/oder um ansprechend auf die Bewegung des Fluids in der Kavität (16) kausal ein elektrisches Signal (129b) bereitzustellen.
3. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das einen ersten und einen zweiten elektromechanischen Wandler (18b-e) aufweist, die mit dem Substrat (14) verbunden sind, und die jeweils ein entlang der lateralen Bewegungsrichtung (24) verformbares Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) aufweisen, das ausgebildet ist, um sich entlang der lateralen Bewegungsrichtung (24) zu verformen, wobei der erste elektromechanische Wandler (18b, 18d) und der zweite elektromechanische Wandler (18c, 18e) ausgebildet sind, um sich während eines ersten Zeitintervalls auf einander zuzubewegen und während eines zweiten Zeitintervalls voneinander wegzubewegen, wobei ein Volumen einer Teilkavität (42a, 42b) zwischen dem ersten elektromechanischen Wandler (18b, 18d) und dem zweiten elektromechanischen Wandler (18c, 18e) während des ersten und zweiten Zeitintervalls veränderlich ist.
4. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, der eine Vielzahl von elektromechanischen Wandlern (18; 18a-f) aufweist, die mit dem Substrat (14) ver- bunden sind, und jeweils ein entlang der lateralen Bewegungsrichtung (24) verformbares Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) aufweisen; wobei zwischen einem ersten elektromechanischen Wandler (18b, 18d) und einem zweiten elektromechanischen Wandler (18c, 18e) eine erste Teilkavität (42a, 42b) angeordnet ist und zwischen dem zweiten elektromechanischen Wandler (18b, 18d) und einem dritten elektromechanischen Wandler (18a, 18c) eine zweite Teilkavität (38a, 38b) angeordnet ist; wobei der erste und der zweite elektromechanische Wandler (18b, 18d) ausgebildet sind, um sich ein Volumen der ersten Teilkavität mit einer ersten Frequenz zu verändern, wobei der erste (18b, 18d) und der dritte elektromechanische Wandler (18a, 8c) ausgebildet sind, um ein Volumen der zweiten Teilkavität mit einer zweiten Frequenz zu verändern.
5. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 4, bei dem der Volumenstrom (12) und die Verformung des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) kausal mit der Veränderung der Volumina der ersten Teilkavität (42a, 42b) und der zweiten Teilkavität (38a, 38b) zusammenhängt.
6 MEMS-Wandler gemäß Anspruch 4 oder 5, der eine Wandstruktur (49) aufweist, die zwischen der ersten Teilkavität (42a, 42b) und der zweiten Teilkavität (38a, 38b) angeordnet ist und ausgebildet ist, um eine fluidische Kopplung zwischen der ersten Teilkavität (42a, 42b) und der zweiten Teilkavität (38a, 38b) zumindest teilweise zu reduzieren.
7. MEMS-Wandler gemäß einem der Ansprüche 4-6, bei dem die verformbaren Elemente (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) des ersten elektromechanischen Wandlers (18b, 18d), des zweiten elektromechanischen Wandlers (18c, 18e) und des dritten elekt- romechanischen Wandlers (18a, 18c) einen Balkenaktor (30) umfassen, der jeweils ein erstes und ein zweites Ende aufweist, wobei der Balkenaktor (30) des ersten elektromechanischen Wandlers (18b, 18d) an dem ersten Ende und dem zweiten Ende mit dem Substrat (14) verbunden ist, wobei der der Balkenaktor des zweiten elektromechanischen Wandlers (18c, 18e) oder des dritten elektromechanischen Wandlers (18a, 18c) in einem Mittenbereich des Balkenaktors mit dem Substrat (14) verbunden ist.
8. E S-Wandler gemäß einem der Ansprüche 4-7, bei dem das Substrat (14) eine
Vielzahl von Öffnungen (26) aufweist, die mit einer Vielzahl von Teilkavitäten (42a-b, 38a-c) der Kavität (16) verbunden sind, wobei ein Volumen jeder Teilkavität (42a-b, 38a-c) von einem Auslenkungszustand zumindest eines entlang der lateralen Bewegungsrichtung (24) verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 180) beein- flusst ist, wobei zwei benachbarte Teilvolumina von Teilkavitäten (42a-b, 38a-c) komplementär während dem ersten oder zweiten Zeitintervall vergrößerbar oder verkleinerbar sind.
9. MEMS-Wandler gemäß einem der Ansprüche 4-7, bei dem das Substrat (14) eine
Vielzahl von Öffnungen (26) aufweist, die mit einer Vielzahl von Teilkavitäten (42a-b, 38a-c) der Kavität (16) verbunden sind, wobei ein Volumen jeder Teilkavität (42a-b, 38a-c) von einem Auslenkungszustand zumindest eines entlang der lateralen Be- wegungsrichtung (24) verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) beein- flusst ist, wobei Werte von Schalldruckpegeln, die basierend auf der Verformung der verformbaren Elemente (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) und basierend auf der Teilkavitäten (42a-b, 38a-c) erhalten werden, einen Zusammenhang mit einer Frequenz des Volumenstroms (12), der aus oder in' die jeweilige Teilkavität (42a-b, 38a-c) strömt, aufweisen, der als Funktion darstellbar ist.
10. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 9, wobei die Frequenz des Volumenstroms (12) einen frequenzabhängigen Verlauf eines Drucks in dem Fluid beschreibt. 1 1. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen den Balkenstrukturen (30) des ersten elektromechanischen Wandlers (18b, 18d) und des zweiten elektromechanischen Wandlers (18c, 18e) eine erste Teilkavität (42a, 42b) angeordnet ist, die an eine Öffnung (26) des Substrats (14) angrenzt. 12. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein erstes verformbares Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) des ersten elektromechanischen Wandlers und ein zweites verformbares Element des zweiten elektromechanischen Wandlers eine Balkenstruktur (30) umfassen, die ausgebildet sind, um sich in-plane bezogen auf das Substrat (14) zu verkrümmen.
13. ME S-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) aktiv gebildet ist und ausgebildet ist, um mit dem Volumenstrom zu interagieren, oder wobei ein mit dem ersten verformbaren Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) verbundenes und steif ausgebildetes Platten- element (62; 62a-c) ausgebildet ist, um mit dem Volumenstrom zu interagieren.
14. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der elekt- romechanische Wandler (18; 8a-f) eine Mehrzahl von in axialer Richtung (y) des elektromechanischen Wandlers (18; 8a-f) zumindest mittelbar verbundene ver- formbare Elemente (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) umfasst, die ausgebildet sind, um jeweils ein Volumen eines ersten und eines zweiten Teilkavitätsabschnitts (96a, 96b) zu beeinflussen.
15. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 14, wobei der elektromechanische Wandler (18;
18a-f) ausgebildet ist, um ansprechend auf eine elektrische Ansteuerung (129a) kausal eine Bewegung des Fluids in dem ersten (96a) und zweiten Teilkavitätsab- schnitt (96b) zu bewirken, wobei die verformbaren Elemente (22; 22a-f; 30; 40; 150;
160) ausgebildet sind, um die Volumina des ersten (96a) und zweiten Teilkavitätsabschnitts (96b) mit einer von einander verschiedenen Frequenz zu verändern.
16. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche wobei ein Volumen der Kavität (16) durch eine erste Schicht (32a), eine zweite Schicht (32b) und einen ersten (53a) und einen zweiten Seitenbereich (53b) beeinflusst ist, wobei der erste (53a) und der zweite Seitenbereich (53b) zwischen der ersten (32a) und zweiten Schicht (32b) angeordnet sind, wobei das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40;
150; 160) ausgebildet ist, um zumindest in einem Abschnitt (55) eine Bewegung parallel zu der ersten (32a) oder zweiten Schicht (32b) auszuführen.
17. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 16, wobei das verformbare Element (22; 22a-f;
30; 40; 150; 160) kontaktfrei zu der ersten (32a) und zweiten Schicht (32b) angeordnet ist, oder wobei zwischen dem verformbaren Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) und der ersten Schicht (32a) oder der zweiten Schicht (32b) eine reibungsarme Schicht angeordnet ist. 18, MEMS-Wandler gemäß Anspruch 16 oder 17, der einen Schichtstapel umfasst, wobei der Schichtstapei die erste Schicht (32a), eine Zwischenschicht (36), eine erste Abstandsschicht (34b), die zwischen der ersten Schicht (32a) und der Zwischenschicht (36) angeordnet ist, die zweite Schicht (32b) und eine zweite Abstandsschicht (34b), die zwischen der Zwischenschicht (36) und der zweiten Schicht (32b) angeordnet ist, aufweist, wobei das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) mit der Zwischenschicht (36) verbunden ist.
19. E S-Wandler gemäß Anspruch 18, bei dem die erste oder zweite Abstandsschicht (34a, 34b) eine Abmessung entlang einer Richtung (z) entlang der die erste und zweite Abstandsschicht (34a, 34b) an der Zwischenschicht (36) angeordnet sind, einen Wert in einem Bereich von zumindest 1 nm und höchstens 1 mm. bevorzugt in einem Bereich von zumindest 20 nm und höchstens 100 μητι und besonders bevorzugt in einem Bereich von zumindest 50 nm und höchstens 1 μηι aufweist.
20. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Ausmaß eines Fluidstroms (57), der den elektromechanischen Wandler (18; 18a-f) von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite des elektromechanischen Wandlers (18; 18a-f) umströmt, während das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) sich verformt, kleiner ist als ein Ausmaß des Volumenstroms (12) in der Kavität (16). 21. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 20, bei dem das Ausmaß des Fluidstroms (57), der den elektromechanischen Wandler (18; 18a-f) umströmt, kleiner oder gleich ist als das Ausmaß des Volumenstroms (12) dividiert durch den Wert 10.
22. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das ver- formbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) ausgebildet ist, um sich entlang der lateralen Bewegungsrichtung (24) und entlang einer entgegengesetzten Richtung zu verformen.
23. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das ver- formbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 50; 160) eine Balkenstruktur (30) umfasst, und ausgebildet ist, um sich in-plane bezogen auf das Substrat zu verkrümmen.
24. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) als Bimorph ausgebildet ist, der eine Aktuierungsrichtung (59, 59') aufweist, entlang der der das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150, 160) durch Anlegen einer elektrischen Spannung auslenkbar ist.
25. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 24, bei dem das verformbare Element (22; 22a-f;
30; 40; 150; 160) ein erstes (30a), ein zweites (30b) und ein drittes Balkensegment
(30c) aufweist, die in dieser Reihenfolge entlang der axialen Richtung (y) angeordnet sind und jeweils entgegen gerichtete Aktuierungsrichtungen (59a-c) aufweisen.
26. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 25, bei dem der elektromechanische Wandler ( 8:
18a-f) ein erstes und ein zweites verformbares Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) umfasst, wobei ein äußeres Balkensegment (30a, 30c) des ersten verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) und ein äußeres Balkensegment (30a, 30c) des zweiten verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) zumindest mittelbar mit einander verbunden sind.
27. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das verformbare Element zumindest drei Balkensegmente (30a-c) umfasst, die in einer Reihe mit einander verbunden sind, wobei zumindest ein erstes, ein zweites und ein drittes
Balkenelement (30a, 30b, 30c) entgegen gerichtete Aktuierungsrichtungen (59a-c) aufweisen, und eine unterschiedliche Balkenlänge aufweisen.
28. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 27, bei dem das verformbare Element zweiseitig eingespannt ist. 29. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (14) ein Ankerelement (84) aufweist; wobei das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 50; 160) in einem Mittenbereich
(30b) einer axialen Erstreckungsrichtung (y) des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) mit dem Ankerelement (84) verbunden ist; oder wobei das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) an einem äußeren Balkensegment (30a, 30c) über das Ankerelement (84) mit einem weiteren verformbaren Element verbunden ist.
30. EMS-Wand!er gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das verformbare Element (22; 150) eine erste Schicht (1 12) und eine zweite Schicht (114) aufweist, wobei zwischen der ersten Schicht (1 12) und der zweiten Schicht (114) Abstandshalter (116a-c) angeordnet sind, wobei die erste Schicht (1 12) und die zweite Schicht (1 4) über die Abstandshalter (1 16a-c) mit einander verbunden sind, wobei die Abstandshalter (116a-c) in eine Neigungsrichtung schräg zu einem Verlauf (124) der ersten (1 12) und zweiten Schicht (1 14) angeordnet sind, wobei eine Anziehungskraft (F) zwischen der ersten Schicht (112) und der zweiten Schicht (1 14) eine Biegung des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) bewirkt.
31 . EMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 50; 160) eine Balkenstruktur aufweist, wobei die Balkenstruktur an einem ersten und einem zweiten Ende fest eingespannt ist.
32. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der elekt- romechanische Wandler (18; 18a-f) als elektrostatischer Wandler, als piezoelektrischer Wandler, als elektromagnetischer Wandler, als elektrodynamischer Wandler, als thermomechanischer Wandler oder als magnetostriktiver Wandler gebildet ist.
33. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 32. wobei der elektromechanische Wandler (18;
18a-f) als elektrostatischer Wandler gebildet ist, wobei der MEMS-Wandler ferner eine erste Elektrode (126) aufweist, die sich entlang einer axialen Richtung (98) des verformbaren Elements (22; 160) erstreckt, wobei das verformbare Element (22; 160) eine zweite Elektrode (127) aufweist, wobei ein elektrisches Potential zwischen der ersten Elektrode (126) und der zweiten Elektrode (127) anlegbar ist, um eine elektrostatische Kraft (F) zwischen der ersten (126) und der zweiten Elektrode (127) zu erzeugen, wobei das verformbare Element (22; 160) ausgebildet ist, um die Verformung entlang der lateralen Bewegungsrichtung (24) basierend auf der elektrostatischen Kraft (F) auszuführen.
34. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 33, bei dem in einem von dem Volumenstrom (12) oder dem elektrischen Potential unbeeinflussten Zustand des verformbaren Elements (22; 160) ein Abstand zwischen dem verformbaren Element (22; 160) und der ersten Elektrode (126) entlang der axialen Richtung (98) des verformbaren Elements (22; 160) variiert, wobei der Abstand in einem Bereich, an dem der elektro- mechanische Wandler (18; 18a-f) eine Verbindung mit dem Substrat (14) aufweist, einen minimalen Abstand aufweist.
35. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der elekt- romechanische Wandler (18; 18a-f) ein erstes verformbares Element (22; 22a-f, 30; 40; 150; 160), ein zweites verformbares Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) und ein Plattenelement (62; 62a-c) aufweist, wobei die verformbaren Elemente (22; 22a- f; 30; 40; 150; 160) ausgebildet sind, um sich entlang der lateralen Bewegungsrichtung (24) zu verformen, wobei das erste verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) und das zweite verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) gegenüberliegend angeordnet sind, so dass auslenkbare Enden (52) des ersten und zweiten verformbaren Elements einander zugewandt angeordnet sind, wobei das Plat- teneiement (62; 62a-c) mit den ausienkbaren Enden (52) verbunden ist, wobei die Verformung der verformbaren Elemente (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) und eine Bewegung des Plattenelements (62; 62a-c) entlang der Bewegungsrichtung (24) kausal zusammenhängen.
36. MEMS-Wandler gemäß Anspruch '35, bei dem entlang der Bewegungsrichtung (24) ein weiteres Plattenelement (62; 62a-c) angeordnet ist, wobei ein zwischen dem Plattenelement (62; 62a-c) und dem weiteren Plattenelement (62; 62a-c) angeordnetes Volumen (42a) basierend auf dem Volumenstrom (12) oder basierend auf einer Aktuierung des elektromechanischen Wandlers (18; 18a-f) verändert wird.
37. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der elekt- romechanische Wandler (18; 18a-f) ein erstes und ein zweites verformbares Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) aufweist, die entlang einer axialen Erstreckungs- richtung (y) des ersten oder zweiten verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) mit einander verbunden sind, wobei ein Federelement (102) zwischen dem ersten und zweiten verformbaren Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) angeordnet ist.
38. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 37, bei dem das Federelement (102) entlang der lateralen Bewegungsrichtung (24) eine geringere Steifigkeit aufweist, als in einer Richtung senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung (24).
39. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der elektro- mechanische Wandler (18; 18a-f) bezogen auf eine laterale Haupterstreckungsiich- tung (x) des Substrats (14) schräg angeordnet ist. 40. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Substrat (14) ein Substratfederelement (72a-b) benachbart zu einem Bereich aufweist an dem der elektromechanische Wandler (18; 18a-f) mit dem Substrat (14) verbunden ist.
MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der elektromechanische Wandler (18; 18a-f) ein Plattenelement (62; 62a-c) umfasst, das ausgebildet ist, um entlang der lateralen Bewegungsrichtung (24) bewegt zu werden, so dass eine Plattenoberfläche des Platteneiements (62; 62a-c) entlang der Bewegungsrichtung (24) bewegt wird.
MEMS-Wandler gemäß Anspruch 41 , bei dem das Plattenelement (62; 62a-c) eine Elektrode aufweist, die mit einem elektrischen Potential verbindbar ist, wobei das Plattenelement (62a-c) ausgebildet ist, um eine elektrostatische Kraft (F) gegenüber einer weiteren Elektrode zu erzeugen, wobei die elektrostatische Kraft (F) die Verformung des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) entlang der lateralen Bewegungsrichtung (24) bewirkt; oder um basierend auf dem Volumenstrom (12) die Verformung des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) entlang der lateralen Bewegungsrichtung (24) zu bewirken, wobei das eiektrische Potential basierend auf der Verformung beeinflussbar ist.
MEMS-Wandler gemäß Anspruch 41 oder 42 bei dem zwischen dem verformbaren Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) und dem Plattenelement (62; 62a-c) ein Federelement (64a-b; 68) angeordnet ist.
MEMS-Wandler gemäß einem der Ansprüche 41 -43, bei dem zwischen dem verformbaren Element und dem Piattenelement (62; 62a-b) zumindest ein weiteres verformbares Element (40b-c) angeordnet ist, das ausgebildet ist, um einen Stellweg des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) zu erhöhen.
45. MEMS-Wandler gemäß einem der Ansprüche 35-44, bei dem das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) eine Öffnung (78a) aufweist, so dass sich ein Teilvolumen (38a) der Kavität (16), das an einer dem Plattenelement (62) abge- wandten Seite des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) angeordnet ist, durch das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) in eine Richtung des Plattenelements (62) erstreckt.
46. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kavität (16) eine Öffnung (26) in dem Substrat (14) aufweist, die senkrecht zu der lateralen
Bewegungsrichtung (24) angeordnet ist, so dass der Volumenstrom (12) basierend auf der Verformung des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung (24) aus der Kavität (16) oder in die Kavität (16) strömt.
47. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 46, bei dem die Öffnung (26) einen entlang einer axialen Richtung (y) veränderlichen Querschnitt aufweist, der von einer Außenseite des ME S-Wandiers in eine Richtung hin zu der Kavität (16) abnimmt. 48. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 46 oder 47, bei dem die Öffnung (26) entlang einer Dickenrichtung (z) senkrecht zu einer axialen Richtung (y) einen veränderlichen Querschnitt aufweist, der von einer Außenseite des MEMS-Wandlers in eine Richtung hin zu der Kavität (16) abnimmt. 49. MEMS-Wandler gemäß einem der Ansprüche 45-48, bei dem das erste und zweite verformbare Element benachbart zu der Öffnung (26) angeordnet ist.
50. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kavität (16) eine Öffnung (26) in dem Substrat (14) aufweist, wobei in einem Bereich der Öffnung (28) zumindest ein Stabelement (44) gebildet ist, so dass der Voiumen- strom (12) das Stabelement (44) umströmt.
51 . MEMS-Wandler gemäß Anspruch 50, das eine Vielzahl von Stabelementen (44) aufweist, wobei benachbarte Stabelemente (44) einen Abstand (85) zueinander aufweisen, der geringer ist als 5 ίη.
52. ME S-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kavität (16) eine Öffnung (26) in dem Substrat (14) aufweist, wobei in einem Bereich der Öffnung (26) eine Abdeckung (43) angeordnet ist
53. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kavität (16) eine Öffnung (26) in dem Substrat (14) aufweist, wobei in einem Bereich der Öffnung (26) eine Ventilstruktur (85a-f) angeordnet ist, die ausgebildet ist, um einen Durchfluss des Volumenstroms (12) durch die Öffnung entlang zumindest einer Richtung aus der Kavität (16) und/oder in die Kavität (16) zu reduzieren.
54. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 53, bei der die Ventilstruktur (85a-f) aktiv gebildet ist.
55. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 54, bei dem das verformbare Element aktiv gebildet ist, und bei dem die Ventilstruktur (85a-f) auf dem gleichen Aktorprinzip beruht wie die das verformbare Element.
56. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 54 oder 55, umfassend eine Steuereinrichtung, die ausgebildet ist, um die Ventilstruktur (85a-f) so anzusteuern, dass ein Druckpuls in dem Fluidstrom (12) entsteht.
57. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das ferner ein Membranelement (104) aufweist, das angeordnet ist, um einen Austritt des Volumenstroms (12) aus der Kavität (16) oder einen Eintritt des Volumenstroms (12) in die Kavität (16) zumindest teilweise zu verhindern wobei basierend auf dem Volumenstrom (12) eine Auslenkung des Membranelements (104) bewirkbar ist.
58. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 57, wobei die Kavität (16) eine Öffnung (26) in dem Substrat (14) aufweist, wobei das Membranelement (104) in einem Bereich der Öffnung (26) angeordnet ist.
59. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, der mit zumindest einem zweiten MEMS-Wandler (80b-c; 80'b) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche in einem MEMS-Stapel (90; 140) angeordnet ist.
60. MEMS-Wandier gemäß Anspruch 59, wobei die elektromechanischen Wandler (18;
18a-f) des MEMS-Wandlers (80a; 80'a) und des zweiten MEMS-Wandiers (80b-c;
80'b) gemeinsam ansteuerbar sind. 61 . MEMS-Wandler gemäß Anspruch 59 oder 60, wobei eine Deckelfiäche (32b) des MEMS-Wandlers eine Außenseite des Stapels (140) bildet, wobei der MEMS- Wandler (80'a) eine Öffnung (26) in'- der Deckelfläche (32b) aufweist, die einer dem zweiten MEMS-Wandler (80'b) zugewandten Seite abgewandt angeordnet ist, wobei der Volumenstrom (12) des MEMS-Wandlers (80'a) senkrecht oder entgegengesetzt zu dem Volumenstrom (12) des zweiten MEMS-Wandlers (80'b) aus oder in die Ka- vität (16) tritt.
MEMS-Wandler gemäß einem der Ansprüche 59-61 , wobei die Kavität (16) des MEMS-Wandlers (80'a) und die Kavität (16) des zweiten MEMS-Wandlers (80'b) mit einander verbunden sind.
MEMS-Wandier gemäß einem der Ansprüche 59-62, wobei die Kavität (16) des MEMS-Wandiers (80'a) und die Kavität (16) des zweiten MEMS-Wandlers (80'b) eine von einander verschiedene Resonanzfrequenz aufweisen.
MEMS-Wandier gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) eine axiale Ausdehnung (y) aufweist, die einen Wert in einem Bereich von zumindest 1 pm und höchstens 100 mm, bevorzugt von zumindest 100 pm und höchstens 10 mm und besonders bevorzugt einen Wert in einem Bereich von zumindest 500 pm und höchstens 5 mm aufweist.
MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) eine Ausdehnung entlang der lateralen Bewegungsrichtung (24) aufweist, die einen Wert in einem Bereich von zumindest 0, 1 pm und höchstens 1000 pm, bevorzugt von zumindest 1 pm und höchstens 100 pm und besonders bevorzugt einen Wert in einem Bereich von zumindest 5 pm und höchstens 30 pm aufweist.
66. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) eine Ausdehnung entlang einer Richtung (z), die senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung (24) angeordnet ist, aufweist, wobei die Ausdehnung einen Wert in einem Bereich von zumindest 0, 1 m und höchstens 1000 μιτι, bevorzugt von zumindest 1 μιτι und höchstens 300 μιη und besonders bevorzugt einen Wert in einem Bereich von zumindest 10 μηη und höchstens 100 μηι aufweist.
67. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, der zumindest ein sensorisches und zumindest ein aktorisches verformbares Element umfasst.
68. MEMS-Wandler zum Interagieren mit einem Volumenstrom (12) eines Fluids mit: einem Substrat (14), das eine Kavität (16) aufweist; einem elektromechanischen Wandler (18; 18a-f), der mit dem Substrat (14) in der
Kavität (16) verbunden ist und ein sich entlang einer lateralen Bewegungsrichtung (24) verformbares Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) aufweist, wobei eine Verformung des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) entlang der lateralen Bewegungsrichtung (24) und der Volumenstrom (12) des Fluids kausal zusammenhängen; wobei die laterale Bewegungsrichtung (24) in-plane bezogen auf das Substrat (14) verläuft; einem ersten und einem zweiten elektromechanischen Wandler (18b-e), die mit dem Substrat (14) verbunden sind, und die jeweils ein entlang der lateralen Bewegungsrichtung (24) verformbares Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) aufweisen, das ausgebildet ist, um sich entlang der lateralen Bewegungsrichtung (24) zu verformen, wobei der erste elektromechanische Wandler (18b, 18d) und der zweite elektromechanische Wandler (18c, 18e) ausgebildet sind, um sich während eines ersten Zeitintervalls auf einander zuzubewegen und während eines zweiten Zeitintervalls voneinander wegzubewegen, wobei ein Volumen einer Teilkavität (42a, 42b) zwischen dem ersten elektromechanischen Wandler (18b, 18d) und dem zweiten elektromechanischen Wandler (18c, 18e) während des ersten und zweiten Zeitintervalls veränderlich ist; wobei ein erstes verformbares Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) des ersten elektromechanischen Wandlers und ein zweites verformbares Element des zweiten e!ektromechanischen Wandlers eine Balkenstruktur (30) umfassen, die ausgebildet sind, um sich entlang einer axialen Richtung (y) der Balkenstruktur zu verkrümmen; wobei das erste verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) aktiv gebildet ist und ausgebildet ist, um mit dem Volumenstrom zu interagieren, oder ein mit dem ersten verformbaren Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) verbundenes und steif ausgebildetes Plattenelement (62; 62a-c) ausgebildet ist, um mit dem Volumenstrom zu interagieren. 69. MEMS-Lautsprecher mit einem MEMS-Wandler (10; 20; 50; 80; 80'; 100; 110) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Volumenstrom (12) eine akustische Schallwelle oder eine Ultraschallwelle ist.
MEMS-Pumpe mit einem MEMS-Wandler (10; 20; 50; 80; 80'; 100; 1 10) gemäß einem der Ansprüche 1-68, wobei die Kavität (16) eine erste Öffnung (26) und eine zweite Öffnung (26) in dem Substrat (14) aufweist, wobei der elektromechanische Wandler (18; 18a-f) ausgebildet ist, um den Volumenstrom (12) basierend auf dem Fluid bereitzustellen und, um das Fluid basierend auf einer Aktuierung des elektro- mechanischen Wandlers (18; 18a-f) durch die erste Öffnung (26) in eine Richtung der Kavität (16) zu befördern oder, um das Fluid basierend auf der Aktuierung durch die zweite Öffnung (26) in eine Richtung weg von der Kavität (16) zu befördern.
MEMS-Mikrophon mit einem MEMS-Wandler (10; 20; 50; 80; 80'; 100; 1 10) gemäß einem der Ansprüche 1-68, wobei basierend auf der Verformung des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) ein elektrischen Signal (129b) an einem An- schluss des elektromechanischen Wandlers (18; 18a-f) erhaltbar ist, wobei basierend auf dem Volumenstrom (12) die Verformung bewirkbar ist.
MEMS-System (170) mit: einem MEMS-Wandler (10; 20; 50; 80; 80'; 100; 110) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche; und einer Steuervorrichtung (128), die ausgebildet ist, um die Verformung des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) anzusteuern, oder um die Verformung des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) zu erfassen.
73. MEMS-System gemäß Anspruch 72, wobei der ME S-Wandler (10; 20; 50; 80; 80'; 100; 1 10) eine Vielzahl von elektromechanischen Wandler (18; 18a-f) aufweist, wobei die Steuervorrichtung (128) ausgebildet ist, um die Vielzahl von elektromechanischen Wandler (18; 18a-f) so anzusteuern, dass sich ein erster (18b, 18d) und ein benachbarter zweiter elektromechanischer Wandler ( 8c, 18e) während eines ersten Zeitintervalls zumindest lokal auf einander zu bewegen und wobei die Steuervorrichtung (128) ausgebildet ist, um die Vielzahl von elektromechanischen Wandlern (18; 18a-f) so anzusteuern, dass sich der erste elektromechanische Wandler (18b, 8d) und ein dritter elektromechanischer Wandler (18a, 8c), der benachbart zu dem ersten elektromechanischen Wandler (18b, 18d) angeordnet ist, wobei der erste elektromechanische Wandler (18b, 18d) zwischen dem zweiten (18c, 18e) und dem dritten elektromechanischen Wandler (18a, 18c) angeordnet ist, während eines zweiten Zeiiintervalls auf einander zu bewegen.
74. MEMS-System gemäß Anspruch 72 oder 73, umfassend zumindest einen weiteren MEMS-Wandler (10; 20; 50; 80; 80'; 100; 0), wobei die Kavität (16) des weiteren MEMS-Wandlers (10; 20; 50: 80; 80'; 100; 1 0) eine Resonanzfrequenz aufweist, die von einer Resonanzfrequenz der Kavität (15) des MEMS-Wandlers (10; 20; 50; 80; 80'; 100; 1 10) verschieden ist, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist, um die Verformung des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) des MEMS-Wandlers und des weiteren MEMS-Wandlers zu erfassen und, um eine Fouriersynthese basierend auf den elektrischen Signalen zu berechnen.
75. MEMS-System gemäß einem der Ansprüche 72-74, umfassend zumindest einen weiteren MEMS-Wandler (10; 20; 50; 80; 80'; 100; 110), wobei die Kavität (16) des weiteren MEMS-Wandlers (10; 20; 50; 80; 80'; 100; 110) eine Resonanzfrequenz aufweist, die von einer Resonanzfrequenz der Kavität (16) des MEMS-Wandlers (10; 20; 50; 80; 80'; 100; 1 10) verschieden ist, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist, um die Verformung des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 50; 160) des MEMS-Wandlers und des weiteren MEMS-Wandlers mit voneinander verschiedenen Frequenzen anzusteuern.
76. Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Wandlers mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrats (14), das eine Kavität (16) aufweist; Herstellen eines eiektromechanischen Wandlers (18; 18a-f), der ein sich entlang einer lateralen Bewegungsrichtung (24) verformbares Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) aufweist, an dem Substrat (14) in der Kavität (16); so dass eine Verformung des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) entlang der lateralen Bewegungsrichtung (24) und ein Volumenstrom (12) eines Fluids kausal zusammenhängen.
Verfahren gemäß Anspruch 76, das ferner ein Anordnen einer reibungsarmen Schicht umfasst, wobei die reibungsarme Schicht in einem Bereich zwischen dem verformbaren Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) und einer benachbarten Schicht (32a-b) angeordnet wird.
PCT/EP2016/063611 2015-06-15 2016-06-14 Mems-wandler zum interagieren mit einem volumenstrom eines fluids und verfahren zum herstellen desselben WO2016202790A2 (de)

Priority Applications (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017565061A JP6668385B2 (ja) 2015-06-15 2016-06-14 流体の体積流と相互作用するｍｅｍｓトランスデューサおよびその製造方法
EP16729884.3A EP3308555B1 (de) 2015-06-15 2016-06-14 Mems-wandler zum interagieren mit einem volumenstrom eines fluids und verfahren zum herstellen desselben
CN201680048446.9A CN107925825B (zh) 2015-06-15 2016-06-14 用于与流体的体积流相互作用的mems换能器及其制造方法
KR1020177036274A KR102036429B1 (ko) 2015-06-15 2016-06-14 유체의 체적 흐름과 상호 작용하는 mems 트랜스듀서 및 그 제조 방법
EP21168756.1A EP3878804A1 (de) 2015-06-15 2016-06-14 Mems-wandler zum interagieren mit einem volumenstrom eines fluids und verfahren zum herstellen desselben
EP21168755.3A EP3878803A1 (de) 2015-06-15 2016-06-14 Mems-wandler zum interagieren mit einem volumenstrom eines fluids
EP21168757.9A EP3878801A1 (de) 2015-06-15 2016-06-14 Mems-wandler zum interagieren mit einem volumenstrom eines fluids und verfahren zum herstellen desselben
US15/843,332 US10457544B2 (en) 2015-06-15 2017-12-15 MEMS transducer for interacting with a volume flow of a fluid and method for manufacturing the same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015210919.4 2015-06-15
DE102015210919.4A DE102015210919A1 (de) 2015-06-15 2015-06-15 MEMS-Wandler zum Interagieren mit einem Volumenstrom eines Fluids und Verfahren zum Herstellen desselben

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US15/843,332 Continuation US10457544B2 (en) 2015-06-15 2017-12-15 MEMS transducer for interacting with a volume flow of a fluid and method for manufacturing the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2016202790A2 true WO2016202790A2 (de) 2016-12-22
WO2016202790A3 WO2016202790A3 (de) 2017-02-09

Family

ID=56134348

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2016/063611 WO2016202790A2 (de) 2015-06-15 2016-06-14 Mems-wandler zum interagieren mit einem volumenstrom eines fluids und verfahren zum herstellen desselben

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10457544B2 (de)
EP (4) EP3878801A1 (de)
JP (2) JP6668385B2 (de)
KR (1) KR102036429B1 (de)
CN (1) CN107925825B (de)
DE (1) DE102015210919A1 (de)
WO (1) WO2016202790A2 (de)

Cited By (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3474572A1 (de) * 2017-10-18 2019-04-24 Xmems Labs, Inc. Luftimpulserzeugendes element und herstellungsverfahren dafür
EP3480163A1 (de) * 2017-11-05 2019-05-08 Xmems Labs, Inc. Luftimpulserzeugungselement und schallerzeugungsvorrichtung
WO2019134146A1 (zh) * 2018-01-05 2019-07-11 深圳市沃特沃德股份有限公司 语音采集装置和家电设备
GB2571283A (en) * 2018-02-22 2019-08-28 Clifford Pooley Robert Apparatus and method for producing sound
US10425732B1 (en) 2018-04-05 2019-09-24 xMEMS Labs, Inc. Sound producing device
US10477300B2 (en) 2017-11-05 2019-11-12 xMEMS Labs, Inc. Air pulse generating element and sound producing device
KR20190139958A (ko) * 2017-12-20 2019-12-18 구글 엘엘씨 능동 분산 모드 액추에이터
JP2020522178A (ja) * 2017-05-26 2020-07-27 フラウンホッファー−ゲゼルシャフト ツァ フェルダールング デァ アンゲヴァンテン フォアシュンク エー．ファオ マイクロメカニカル音響変換器
DE102019205735B3 (de) * 2019-04-18 2020-08-13 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mikromechanischer Schallwandler
US10771891B2 (en) 2018-08-19 2020-09-08 xMEMS Labs, Inc. Method for manufacturing air pulse generating element
EP3739904A1 (de) 2019-05-14 2020-11-18 FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Akustisches biegewandlersystem und akustische vorrichtung
EP3778469A1 (de) 2019-08-16 2021-02-17 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mems-bauteil, baugruppe mit dem mems-bauteil und verfahren zum betreiben des mems-bauteils
WO2021093950A1 (de) 2019-11-13 2021-05-20 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mems-bauteil mit in der ebene beweglichem element und verfahren zum betreiben desselben
US20220224999A1 (en) * 2021-01-14 2022-07-14 xMEMS Labs, Inc. Air-pulse Generating Device and Sound Producing Method Thereof
US11554950B2 (en) 2017-04-21 2023-01-17 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. MEMS transducer for interacting with a volume flow of a fluid, and method of producing same
EP4156712A1 (de) 2021-09-24 2023-03-29 Robert Bosch GmbH Mikroelektromechanisches schallwandlersystem
US11732705B2 (en) 2018-02-16 2023-08-22 Ams Ag Pumping structure, particle detector and method for pumping
US11743659B2 (en) 2021-01-14 2023-08-29 xMEMS Labs, Inc. Air-pulse generating device and sound producing method thereof
US11943585B2 (en) 2021-01-14 2024-03-26 xMEMS Labs, Inc. Air-pulse generating device with common mode and differential mode movement
DE102022128242A1 (de) 2022-10-25 2024-04-25 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikroelektromechanische Vorrichtung zur Erzeugung eines Schalldrucks

Families Citing this family (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2987457C (en) * 2015-06-08 2020-04-07 Ihi Corporation Multilayer reactor utilizing heat exchange
DE102016225721A1 (de) * 2016-12-21 2018-06-21 Robert Bosch Gmbh Ventilvorrichtung
DE102017200308B4 (de) 2017-01-10 2021-07-08 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mikromechanische Bauelemente mit mechanischen Aktuatoren
DE102017203722B4 (de) 2017-03-07 2021-11-25 Brandenburgische Technische Universität (BTU) Cottbus-Senftenberg Mems und verfahren zum herstellen derselben
US10567866B1 (en) * 2018-08-17 2020-02-18 xMEMS Labs, Inc. Sound producing device and valve
US10484784B1 (en) * 2018-10-19 2019-11-19 xMEMS Labs, Inc. Sound producing apparatus
CN110702784A (zh) * 2019-01-30 2020-01-17 杭州超钜科技有限公司 一种基于磁电谐振检测痕量氢气的系统及方法
US10681488B1 (en) * 2019-03-03 2020-06-09 xMEMS Labs, Inc. Sound producing apparatus and sound producing system
US10863280B2 (en) * 2019-03-05 2020-12-08 xMEMS Labs, Inc. Sound producing device
WO2020190732A1 (en) * 2019-03-15 2020-09-24 Massachusetts Institute Of Technology Microscale and nanoscale structured electromechanical transducers employing compliant dielectric spacers
DE102019203914B3 (de) * 2019-03-21 2020-07-30 BTU Cottbus-Senftenberg MEMS mit großer fluidisch wirksamer Oberfläche
EP3723390A1 (de) * 2019-04-09 2020-10-14 Xmems Labs, Inc. Luftimpulserzeugungselement und schallerzeugungsvorrichtung
US10783866B1 (en) * 2019-07-07 2020-09-22 xMEMS Labs, Inc. Sound producing device
US11172310B2 (en) * 2019-07-07 2021-11-09 xMEMS Labs, Inc. Sound producing device
DE102019125815A1 (de) * 2019-09-25 2021-03-25 USound GmbH Schallwandlereinheit zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenbereich und/oder im Ultraschallbereich
WO2021134686A1 (zh) * 2019-12-31 2021-07-08 瑞声声学科技(深圳)有限公司 一种mems扬声器
EP3852391B1 (de) 2020-01-17 2024-05-08 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Mems-lautsprecher mit erhöhter leistungsfähigkeit
US11043197B1 (en) * 2020-01-31 2021-06-22 xMEMS Labs, Inc. Air pulse generating element and sound producing device with virtual valve
US11438705B2 (en) * 2020-02-12 2022-09-06 xMEMS Labs, Inc. Sound producing device
US11489461B2 (en) * 2020-05-26 2022-11-01 Microsoft Technology Licensing, Llc Thin film actuator having transversely oriented structural stiffeners to increase actuator stroke
WO2022006817A1 (zh) * 2020-07-09 2022-01-13 诺思(天津)微系统有限责任公司 Mems扬声器及其制造方法
CN111885469B (zh) * 2020-07-09 2022-09-13 诺思(天津)微系统有限责任公司 Mems扬声器及其制造方法
WO2022053165A1 (de) * 2020-09-14 2022-03-17 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mems-bauelement, hearable, mems-pumpe, lautsprecher und verfahren zum ansteuern eines mems-bauelements
CN114697830B (zh) * 2020-12-28 2023-06-06 华为技术有限公司 扬声器及电子设备
CN113163311B (zh) * 2021-04-12 2023-02-17 诺思(天津)微系统有限责任公司 Mems扬声器和电子设备
CN113286238A (zh) * 2021-04-12 2021-08-20 诺思(天津)微系统有限责任公司 Mems扬声器及其制造方法以及电子设备
NO347016B1 (en) * 2021-12-08 2023-04-11 Nordicneurolab As Audio System for MRI
CN114339552A (zh) * 2021-12-31 2022-04-12 瑞声开泰科技(武汉)有限公司 一种发声装置
DE102022200222A1 (de) 2022-01-12 2023-07-13 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikro-elektromechanischer Energiewandler und entsprechendes Herstellungsverfahren sowie mikromechanisches Bauelement
WO2023161469A1 (de) 2022-02-28 2023-08-31 Hahn-Schickard-Gesellschaft Für Angewandte Forschung E. V. Korrugationen oder schwächungsbereiche auf ankerstrukturen von vertikalen mems-wandler-membranen
EP4236367A1 (de) 2022-02-28 2023-08-30 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Korrugationen oder schwächungsbereiche auf ankerstrukturen von vertikalen mems-wandler-membranen
EP4290887A1 (de) 2022-06-10 2023-12-13 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Verfahren zur herstellung einer mehrzahl von mems-wandlern mit erhöhter leistungsfähigkeit
EP4297432A1 (de) 2022-06-21 2023-12-27 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Verfahren zur herstellung eines mems-wandlers unter nutzung einer verstreckung eines aktuatormaterials
EP4297433A1 (de) 2022-06-24 2023-12-27 Robert Bosch GmbH Mikroelektromechanische akustische druckerzeugungsvorrichtung mit verbessertem antrieb
DE102022209187A1 (de) 2022-09-05 2024-03-07 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikrofluidisches Interaktionselement zur Erzeugung und/oder Erfassung eines Volumenstroms eines Fluids sowie eine akustische Vorrichtung mit einem solchen mikrofluidischen Interaktionselement
DE102022209186A1 (de) 2022-09-05 2024-03-07 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikrofluidisches Interaktionselement zur Erzeugung und/oder Erfassung eines Volumenstroms eines Fluids sowie eine akustische Vorrichtung mit einem solchen mikrofluidischen Interaktionselement
DE102022209706A1 (de) * 2022-09-15 2024-03-21 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein MEMS, Verfahren zum Herstellen eines MEMS und Verfahren zum Auslegen eines MEMS
SE2251545A1 (en) * 2022-12-22 2024-04-16 Myvox Ab A mems-based micro speaker device and system

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7803281B2 (en) 2004-03-05 2010-09-28 Microstaq, Inc. Selective bonding for forming a microvalve
EP2264058A2 (de) 2005-09-30 2010-12-22 Seattle Biomedical Research Plasmodium-Leber-Stadium-Antigene

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3814150A1 (de) * 1988-04-27 1989-11-09 Draegerwerk Ag Ventilanordnung aus mikrostrukturierten komponenten
NO20016398D0 (no) * 2001-12-27 2001-12-27 Abb Research Ltd Mini-kraftomformer I
JP2007210083A (ja) * 2006-02-13 2007-08-23 Hitachi Ltd Ｍｅｍｓ素子及びその製造方法
US7903835B2 (en) 2006-10-18 2011-03-08 The Research Foundation Of State University Of New York Miniature non-directional microphone
US8690830B2 (en) * 2010-05-26 2014-04-08 Innovative Micro Technology In-plane electromagnetic MEMS pump
DE102010029936A1 (de) * 2010-06-10 2011-12-15 Robert Bosch Gmbh Bauelement mit einer mikromechanischen Mikrofonsruktur
WO2011158708A1 (ja) * 2010-06-17 2011-12-22 株式会社村田製作所 可変容量装置
FR2963099B1 (fr) * 2010-07-22 2013-10-04 Commissariat Energie Atomique Capteur de pression dynamique mems, en particulier pour des applications a la realisation de microphones
FR2963192B1 (fr) * 2010-07-22 2013-07-19 Commissariat Energie Atomique Générateur d'impulsions de pression de type mems
US8506105B2 (en) * 2010-08-25 2013-08-13 Generla Electric Company Thermal management systems for solid state lighting and other electronic systems
DE102011115560A1 (de) * 2010-10-15 2012-04-19 Gm Global Technology Operations Llc (N.D.Ges.D. Staates Delaware) Druck- und durchflusssteuersystem in einem antriebsstrang für automatikgetriebe
FR2983955B1 (fr) * 2011-12-09 2014-10-03 Openfield Capteur de pression pour fluide
JP6393930B2 (ja) * 2012-01-30 2018-09-26 俊 保坂 半導体センサー・デバイスおよびその製造方法
US9876160B2 (en) * 2012-03-21 2018-01-23 Parker-Hannifin Corporation Roll-to-roll manufacturing processes for producing self-healing electroactive polymer devices
DE102012223605A1 (de) 2012-12-18 2014-06-18 Robert Bosch Gmbh MEMS-Bauelement zum Erzeugen von Druckpulsen
CN103557143B (zh) * 2013-11-12 2016-03-02 苏州大学 闭环压电薄膜泵及其流量控制方法
CN103604556A (zh) * 2013-11-26 2014-02-26 无锡市纳微电子有限公司 一种流体压力传感器
DE102014225934B4 (de) * 2014-12-15 2017-08-03 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Elektrostatisch auslenkbares mikromechanisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung
US10104478B2 (en) * 2015-11-13 2018-10-16 Infineon Technologies Ag System and method for a perpendicular electrode transducer

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7803281B2 (en) 2004-03-05 2010-09-28 Microstaq, Inc. Selective bonding for forming a microvalve
EP2264058A2 (de) 2005-09-30 2010-12-22 Seattle Biomedical Research Plasmodium-Leber-Stadium-Antigene

Non-Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ALBACH, THORSTEN SVEN: "Magnetostriktive Mikroaktoren und deren Anwendung als Mikrolautsprecher", DISSERTATION, 2013
CHENG, MING-CHENG ET AL.: "A lilicon microspeaker for hearing instruments", J. MICROMECH. MICROENG., vol. 14, 2004, pages 859 - 866, XP020069702, DOI: doi:10.1088/0960-1317/14/7/004
KIM, H.: "Sensors", 2005, IEEE, article "Bi-directional Electrostatic Microspeaker with Two Large-Deflection Flexible Membranes Actuated by Single/Dual Electrodes", pages: 89 - 92
KUMAR, V.; SHARMA, N. N.: "Design and Validation of Silicon-on-Insulator Based U Shaped thermal Microactuator", INT. J. MATERIALS, MECHANICS AND MANUFACTURING, vol. 2, no. 1, 2014, pages 86 - 91
LERCH R.; SESSLER, G.; WOLF, D.: "Technische Akustik", 2009, SPRINGER VERLAG
NERI, F.; DI FAZIO, F.; CRESCENZI, R.; BALUCANI, M.: "61 st Conf. on Electronic Components and Technology, ECTC", 2011, IEEE, article "A novel micromachined loudspeaker topology", pages: 1221 - 1227
NEUMANN, J. J.; GABRIEL, K. J. ET AL.: "Advanced Micro and Nanosystems", vol. 2, 2005, WILEY-VCH VERLAG, article "CMOS-MEMS Acoustic Devices"
REHDER, J.; ROMBACH, P.; HANSEN, 0.: "Magnetic flux generator for balanced membrane loudspeaker", SENSORS AND ACTUATORS A: PHYSICAL, vol. 97, no. 8, 2002, pages 61 - 67, XP004361583, DOI: doi:10.1016/S0924-4247(01)00828-7
ROBERTS, ROBERT C ET AL.: "Sensors", 2007, IEEE, article "Electrostatically Driven Touch-Mode Poly-SiC Microspeaker", pages: 284 - 287
ROSA, M. A. ET AL.: "A novel external electrode configuration for the electrostatic actuation of MEMS based devices", J. MICROMECH. MICROENG., 2004, pages 446 - 451, XP020069645, DOI: doi:10.1088/0960-1317/14/4/003
SCHENK, H ET AL.: "A resonantly excited 2D-micro-scanning-mirror with large deflection", SENSORS AND ACTUATORS A, vol. 89, 2001, pages 104 - 111, XP004317252, DOI: doi:10.1016/S0924-4247(00)00529-X

Cited By (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11554950B2 (en) 2017-04-21 2023-01-17 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. MEMS transducer for interacting with a volume flow of a fluid, and method of producing same
JP7303121B2 (ja) 2017-05-26 2023-07-04 フラウンホッファー－ゲゼルシャフト ツァ フェルダールング デァ アンゲヴァンテン フォアシュンク エー．ファオ マイクロメカニカル音響変換器
US11350217B2 (en) 2017-05-26 2022-05-31 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Micromechanical sound transducer
JP2020522178A (ja) * 2017-05-26 2020-07-27 フラウンホッファー−ゲゼルシャフト ツァ フェルダールング デァ アンゲヴァンテン フォアシュンク エー．ファオ マイクロメカニカル音響変換器
US10609474B2 (en) 2017-10-18 2020-03-31 xMEMS Labs, Inc. Air pulse generating element and manufacturing method thereof
CN109688529A (zh) * 2017-10-18 2019-04-26 知微电子有限公司 空气脉冲产生组件及其相关制造方法
EP3474572A1 (de) * 2017-10-18 2019-04-24 Xmems Labs, Inc. Luftimpulserzeugendes element und herstellungsverfahren dafür
CN109688529B (zh) * 2017-10-18 2020-11-06 知微电子有限公司 空气脉冲产生组件及其相关制造方法
EP3480163A1 (de) * 2017-11-05 2019-05-08 Xmems Labs, Inc. Luftimpulserzeugungselement und schallerzeugungsvorrichtung
CN109756832A (zh) * 2017-11-05 2019-05-14 知微电子有限公司 空气脉冲产生元件及发声装置
US10327060B2 (en) 2017-11-05 2019-06-18 xMEMS Labs, Inc. Air pulse generating element and sound producing device
US10477300B2 (en) 2017-11-05 2019-11-12 xMEMS Labs, Inc. Air pulse generating element and sound producing device
US10924076B2 (en) 2017-12-20 2021-02-16 Google Llc Active distributed mode actuator
KR20190139958A (ko) * 2017-12-20 2019-12-18 구글 엘엘씨 능동 분산 모드 액추에이터
KR102231189B1 (ko) * 2017-12-20 2021-03-23 구글 엘엘씨 능동 분산 모드 액추에이터
WO2019134146A1 (zh) * 2018-01-05 2019-07-11 深圳市沃特沃德股份有限公司 语音采集装置和家电设备
US11732705B2 (en) 2018-02-16 2023-08-22 Ams Ag Pumping structure, particle detector and method for pumping
GB2571283A (en) * 2018-02-22 2019-08-28 Clifford Pooley Robert Apparatus and method for producing sound
CN110351636A (zh) * 2018-04-05 2019-10-18 知微电子有限公司 发声装置、扬声器及扬声器系统
US10979808B2 (en) 2018-04-05 2021-04-13 xMEMS Labs, Inc. Sound producing device
US20190313189A1 (en) * 2018-04-05 2019-10-10 xMEMS Labs, Inc. Sound Producing Device
EP3550556A1 (de) * 2018-04-05 2019-10-09 Xmems Labs, Inc. Schallerzeugungsvorrichtung
US10425732B1 (en) 2018-04-05 2019-09-24 xMEMS Labs, Inc. Sound producing device
US10771891B2 (en) 2018-08-19 2020-09-08 xMEMS Labs, Inc. Method for manufacturing air pulse generating element
US11750982B2 (en) 2019-04-18 2023-09-05 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Micromechanical sound transducer
WO2020212540A1 (de) 2019-04-18 2020-10-22 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mikromechanischer schallwandler
TWI727745B (zh) * 2019-04-18 2021-05-11 弗勞恩霍夫爾協會 微機械聲能轉換器
DE102019205735B3 (de) * 2019-04-18 2020-08-13 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mikromechanischer Schallwandler
WO2020229466A1 (de) 2019-05-14 2020-11-19 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Akustisches biegewandlersystem und akustische vorrichtung
EP3739904A1 (de) 2019-05-14 2020-11-18 FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Akustisches biegewandlersystem und akustische vorrichtung
WO2021032417A1 (de) 2019-08-16 2021-02-25 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mems-bauteil, baugruppe mit dem mems-bauteil und verfahren zum betreiben des mems-bauteils
EP3778469A1 (de) 2019-08-16 2021-02-17 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mems-bauteil, baugruppe mit dem mems-bauteil und verfahren zum betreiben des mems-bauteils
WO2021093950A1 (de) 2019-11-13 2021-05-20 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mems-bauteil mit in der ebene beweglichem element und verfahren zum betreiben desselben
US20220224999A1 (en) * 2021-01-14 2022-07-14 xMEMS Labs, Inc. Air-pulse Generating Device and Sound Producing Method Thereof
US11445279B2 (en) * 2021-01-14 2022-09-13 xMEMS Labs, Inc. Air-pulse generating device and sound producing method thereof
US11743659B2 (en) 2021-01-14 2023-08-29 xMEMS Labs, Inc. Air-pulse generating device and sound producing method thereof
US11758335B2 (en) 2021-01-14 2023-09-12 xMEMS Labs, Inc. Air-pulse generating device and sound producing method thereof
US11943585B2 (en) 2021-01-14 2024-03-26 xMEMS Labs, Inc. Air-pulse generating device with common mode and differential mode movement
EP4156712A1 (de) 2021-09-24 2023-03-29 Robert Bosch GmbH Mikroelektromechanisches schallwandlersystem
DE102022128242A1 (de) 2022-10-25 2024-04-25 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikroelektromechanische Vorrichtung zur Erzeugung eines Schalldrucks

Also Published As

Publication number Publication date
JP2020051428A (ja) 2020-04-02
EP3308555B1 (de) 2021-07-07
JP2018521576A (ja) 2018-08-02
EP3878804A1 (de) 2021-09-15
JP6668385B2 (ja) 2020-03-18
KR20180030784A (ko) 2018-03-26
WO2016202790A3 (de) 2017-02-09
US20180179048A1 (en) 2018-06-28
EP3878801A1 (de) 2021-09-15
DE102015210919A1 (de) 2016-12-15
US10457544B2 (en) 2019-10-29
EP3308555A2 (de) 2018-04-18
EP3878803A1 (de) 2021-09-15
CN107925825B (zh) 2020-06-19
KR102036429B1 (ko) 2019-10-24
CN107925825A (zh) 2018-04-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3308555B1 (de) Mems-wandler zum interagieren mit einem volumenstrom eines fluids und verfahren zum herstellen desselben
EP3612493A1 (de) Mems-wandler zum interagieren mit einem volumenstrom eines fluids und verfahren zum herstellen desselben
EP3100467B1 (de) Mems mit mikromechanischen piezoelektrischen aktuatoren zur realisierung hoher kräfte und auslenkungen
EP3632135B1 (de) Mikromechanischer schallwandler
DE102016114454A1 (de) System und Verfahren für einen Pumplautsprecher
Stoppel et al. Novel membrane-less two-way MEMS loudspeaker based on piezoelectric dual-concentric actuators
CN114269680A (zh) Mems器件、包括mems器件的组件，以及操作mems器件的方法
Glacer et al. Silicon microspeaker with out-of-plane displacement
EP4298798A1 (de) Mems-schallwandler-array
WO2021093950A1 (de) Mems-bauteil mit in der ebene beweglichem element und verfahren zum betreiben desselben
EP4315882A1 (de) Mems-schallwandler
DE102022209183A1 (de) Mikrofluidisches Interaktionselement zur Erzeugung und/oder Erfassung eines Volumenstroms eines Fluids sowie eine akustische Vorrichtung mit einem solchen mikrofluidischen Interaktionselement

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16729884

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

DPE1 Request for preliminary examination filed after expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20177036274

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

Ref document number: 2017565061

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2016729884

Country of ref document: EP